Аккумуляторы новые технологии: Будущее: Наука и техника: Lenta.ru

Содержание

Будущее: Наука и техника: Lenta.ru

В первой половине XXI века человечество начинает отказываться от машин на двигателе внутреннего сгорания. Традиционные средства передвижения перестанут производить уже скоро — на горизонте 10-20 лет отказ от ДВС кажется вполне реальным. Осталось только решить проблемы электрических силовых установок — новых источников движения. Что тормозит развитие автомобилей на электротяге, какие существуют недостатки современных аккумуляторов и как улучшить батареи, — читайте в материале «Ленты.ру».

Летом 2021 года Илон Маск упрекнул Apple в провале борьбы за экологию планеты. По словам Маска, в батарее для iPhone используется недопустимое количество кобальта, при этом в Tesla уже придумали, как снизить его долю до двух процентов. Кобальт — один из самых проблемных материалов, используемых в аккумуляторах. Батареям без него не обойтись, но данный элемент добывают с нарушением условий труда в Демократической Республике Конго, а также он очень токсичен.

В истории производства современных аккумуляторов есть очень много проблемных вопросов, поэтому радоваться Маску как минимум преждевременно. Даже полный отказ от кобальта, что сейчас в принципе невозможно, не гарантирует безопасности и высокого качества батарей. Что еще не позволяет назвать современные электрокары — главных потребителей мощных аккумуляторов — самым экологичным и эффективным видом транспорта?

Проблемы быстрых людей

Не только компании по производству электрических автомобилей, но и сегмент потребительской электроники зависят от лития. Первый прототип литий-ионной батареи в 1980 году создал американский инженер Джон Гуденаф. Современный вариант аккумулятора для гаджетов и автомобилей запатентовала компания Sony — это случилось в 1991 году. На фоне традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов литий-ионные могут выдать больше энергии и имеют больший срок эксплуатации. Однако у лития есть два больших недостатка. В первую очередь это цена, которая растет из-за увеличения спроса на материал. Также литий-ионные батареи зависят от внешней среды — они теряют эффективность после тысячного цикла зарядки, легко воспламеняются, выдают низкую мощность при отрицательных температурах, дороги при транспортировке.

Кадр: Real World Police / YouTube

Так как Tesla находится в авангарде рынка электрокаров (по крайней мере, в медийном плане), все проблемы продукции концерна рассматривают под микроскопом. Как и автомобили других производителей, машины Tesla попадают в ДТП, горят, взрываются, но к транспортным средствам будущего всегда приковано повышенное внимание. Дорожно-транспортные происшествия, как правило, возникают из-за двух моментов — проблем с автопилотом и аккумулятором. Если первое можно исправить на уровне софта, то неполадки с батареями будут внушать опасения на протяжении всего срока эксплуатации авто — как минимум их нынешним хозяевам.

Судя по новостям, основанные на литий-ионных аккумуляторах машины компании Маска крайне быстро загораются, а ликвидация последствий аварии связана с риском для спасателей и пожарных. Случаи возгорания батарей происходят как на парковке, так и в движении. Довольно часто батарея загорается при сильном ударе или перегреве. Например, в апреле два человека погибли в электрокаре Tesla после столкновения с деревом. Машина загорелась, пожар тушили около четырех часов.

Климат также мешает нормальной эксплуатации машин на электрической тяге. Если бензиновый автомобиль примерно одинаково функционирует как при низкой, так и при высокой температуре, то сезонные колебания температуры сильно влияют на технические характеристики электрокара. Как правило, зимой батареи быстро садятся, а летом могут перегреться.

Несмотря на недостатки лития, от этого материала точно не откажутся в ближайшие десятилетия. По оценке аналитиков BloombergNEF, в ближайшие несколько лет рынок решит одну из проблем — вопрос с ценой материала. Специалисты заявляют, что в начале XXI века литий-ионные батареи стоят в 30 раз дешевле, чем в 1990-х годах. К 2023 году стоимость аккумуляторов снизится до ста долларов за киловатт-час, что на 20 процентов ниже, чем сейчас.

Что с экологией? Как и в случае с экономикой, вопрос безопасной переработки будет решен благодаря эффекту масштаба. Ученый Ханс Эрик Мелин полагает, что как только на рынке окажется огромное количество изношенных батарей — буквально миллионы тонн, — то сразу появится адекватное предложение. Утилизировать аккумуляторы будет экономически обоснованно. Это видно на примере свинцово-кислотных аккумуляторов, которые успешно перерабатываются, даже несмотря на то, что свинец является очень дешевым материалом. «Из-за объема утилизировать его выгодно», — считает специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто Хареш Камат.

Как нам обустроить EV?

Если с вопросами стоимости и экологии будет покончено, то остальные недостатки современных аккумуляторов можно будет решить с помощью технического прогресса. Одним из вариантов повышения эффективности батареи является добавление в ее состав кремния. Даже если кремний будет составлять менее десяти процентов от состава аккумулятора, это увеличит плотность накапливаемой энергии до 400 ватт-час. Также будет увеличен срок службы и огнестойкость элементов. Батареи с добавлением кремния подходят для быстрой зарядки, а значит, время на полную заправку электрокара можно будет сократить.

Специалисты ABI Research предсказывают постепенное добавление кремния в аккумуляторы в период с 2023 по 2025 годы. Через несколько лет будет создана батарея с показателем плотности энергии 400 ватт-час.

«Литий-кремниевые и твердотельные аккумуляторы — это технологии, на которых будут основаны будущие электрокары», — заявил ведущий аналитик ABI Research Джеймс Ходжсон. Твердотельные батареи отличаются от традиционных тем, что основаны на плотных материалах, например, керамике или стекле. Преимущества подобных аккумуляторов очевидны. Во-первых, чем меньше деталей в компоненте, тем ниже риск поломки. Во-вторых, твердотельные батареи сохраняют 90 процентов емкости даже после пяти тысяч циклов, в-третьих, рассчитаны на быструю зарядку — до 80 процентов за 15 минут.

Основная проблема твердотельных элементов заключается в их дороговизне. Однако и литий-ионные батареи всего каких-то 20 лет назад были дороги в производстве и эксплуатации

Одной из новейших инициатив в улучшении батарей для электрокаров является разработка литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Ученые Университета штата Пенсильвания в начале 2021 года создали прототип батареи, которая имеет запас хода 400 километров и заряжается всего за десять минут. Общий ресурс такого элемента составляет более трех миллионов километров. Ключевой особенностью батареи является ее способность быстро нагреваться до 60 градусов и так же быстро остывать. При подключении к источнику энергии тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, нагревает внутреннюю часть батареи.

В результате такого самонагрева можно не беспокоиться о неравномерном распределении лития в компоненте или — простыми словами — о возникновении опасной ситуации в процессе быстрой зарядки. Благодаря своей конструкции, литий-железо-фосфатные аккумуляторы предпочтительны в использовании в спортивных электромобилях. «Машина с такой батареей может разгоняться с нуля до 60 километров в час за три секунды и будет “топить”, как Porsche», — отметил заведующий кафедрой машиностроения университета Чао-Ян Ван.

Фото: Michele Tantussi / Reuters

Одним из трендов в автомобилестроении — конкретнее, в сегменте электрокаров последних лет — является постепенная ориентация на бюджетный сектор. Например, Tesla из-за государственных субсидий уже продает в Китае свои автомобили со скидкой, а в недалеком будущем компания намерена выпустить полностью автономный электрокар дешевле 25 тысяч долларов. Поэтому многие автопроизводители сейчас обращают внимание на натриево-ионные аккумуляторы.

Материалы по теме:

Элементы такого типа использовались еще в 1970-х годах, однако литий-ионные аккумуляторы в конце XX века считались более перспективными. Проблемы последних заставляют продолжить работу над батареями на основе натрия. Натриево-ионные аккумуляторы не устроят революцию в отрасли, но могут дать развитие сегменту доступных электромобилей. В первую очередь такой тип компонентов безопасен — они имеют более низкую плотность энергии, медленнее заряжаются и не так предрасположены к воспламенению. В этой связи батареи могут прослужить дольше, чем литий-ионные аккумуляторы.

Также зарядные элементы такого типа гораздо дешевле в производстве. По оценке аналитиков Jefferies Group LLC, в земных недрах содержится в 300 раз больше натрия, чем лития. Распределение этого материала более равномерно, поэтому автопроизводители не страдают от дефицита и не зависят от политической конъюнктуры в одной конкретной стране, что наблюдается в случае с кобальтом.

Большая проблема натриево-ионных аккумуляторов заключается в том, что в мире еще не налажены стабильные цепочки поставок основного компонента. Однако к 2023 году ситуация изменится в лучшую сторону.

***

Если говорить о кобальте, то производители батарей могут постепенно отказаться от этого материала — как и мечтал Илон Маск. В конце лета 2021 года китайская компания SVOLT разработала первый аккумулятор для автомобилей, не имеющий в своем составе кобальта.

Детали проекта не раскрываются, но известно, что электрокар на базе данного элемента может проехать до 600 километров на одном заряде и разогнаться до ста километров в час за пять секунд. Если технология бескобальтовых батарей станет флагманской на рынке, то индустрия решит проблему зависимости от одного компонента, а ситуация с эксплуатацией детского труда может измениться в лучшую сторону.

Создан аккумулятор будущего: долгоиграющий, взрывобезопасный и без лития

| Поделиться Американские исследователи заменили литий в батареях на особый материал на основе магния, и получили более надежные и долговечные аккумуляторы. В будущем их разработка может лечь в основу всех перезаряжаемых батарей.

Хаос на страже электрического заряда

Ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.Эту идею до них никто не развивал, поскольку неупорядоченные (или беспорядочные, движущиеся хаотично) частицы теоретически и практически могут стать препятствием при производстве и эксплуатации элементов питания.

Несмотря на то, ранее технология нигде и никем не применялась, американские ученые уже добились определенных успехов в выбранном направлении. К главным преимуществам магниевых АКБ авторы технологии отнесли их повышенную безопасность в сравнении с литиевыми батареями, а также способность гораздо дольше держать заряд.

По словам исследователей, если литий-ионные аккумуляторы уже достаточно давно достигли пика своего развития, то магниевые лишь только начинают свой путь, имея в запасе внушительный потенциал.

Суть и потенциал технологии

В аккумуляторе, созданном учеными Иллинойского университета, используется созданный ими на основе оксида магния и хрома (MgCr2O4) неупорядоченный материал толщиной порядка 5 нанометров. Его характеризует в первую очередь низкая температура реакции при высокой скорости этой самой реакции. На практике это даст возможность не опасаться перегрева аккумулятора в мобильном устройстве в жаркий летний день или в процессе подзарядки. Литий-ионные батареи, отметим, очень чувствительны к изменению температуры и могут воспламениться и даже взорваться прямо в руках у владельца смартфона.

Преследуя цель убедиться в своей правоте, ученые провели сравнительный эксперимент, в ходе которого сопоставили 5-нанометрвоый неупорядоченный материал с 7-нанометровым упорядоченным оксидом магния и хрома. Оба материала подвергались различным испытаниям и тестам, включая рентгеновскую абсорбционную спектроскопию и современные электрохимические методы тестирования.

Тестирование первой в мире батареи на неупорядоченных частицах оксида магния в лабораторных условиях

Специалисты исследовали структурные и химические изменения в материалах в процессе их тестирования и увидели, что они ведут себя совершенно по-разному. Неупорядоченные частицы оксида магния могут перетекать от анода к катоду, тогда как упорядоченные – нет. На основе полученных результатов ученые сделали вывод о пригодности их новой технологии для создания нового вида аккумуляторных батарей. По состоянию на декабрь 2018 г. технология требовала доработки и не могла быть использована в серийном производстве.

Магний лучше лития, никеля и кадмия?

О применении магния в перезаряжаемых элементах питания специалисты стали задумываться еще в начале века, даже когда литиевые батареи еще не получили столь широкого распространения. В 2003 г. израильские ученые из университета в Рамат-Гане даже разработали прототип нового магниевого аккумулятора, который практически не уступал по своим энергетическим свойствам популярным тогда никель-кадмиевым АКБ. Он тоже выдавал напряжение до 1,2 В, но при этом характеризовался меньшей степенью деградации спустя несколько сотен циклов зарядки и разрядки и в целом был намного более экологичным. В серию аккумуляторы, выполненные по израильской технологии, не пошли.

Конкурирующие разработки

Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые АКБ и положить конец их далеко не самым экологичным производству и утилизации. К примеру, еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.

Близкие контакты четвертого рода: как организовать коммуникации в период ковидных ограничений?

Технологии

В целом, многие страны сейчас ищут замену не самым дешевым в производстве литий-ионным АКБ. К примеру, Китай отдал предпочтение аккумуляторам на твердых электролитах – такие батареи надежнее, безопаснее и производительнее литиевых. Их также характеризует сравнительно малый вес, что позволит уменьшить массу мобильных устройств. Твердотельные аккумуляторы имеют большой потенциал в автомобилестроении – при идентичной емкости они компактнее литиевых, что позволит увеличить запас хода гибридных и электрических транспортных средств без прироста их массы.



Батареи для электромобилей: в ЕС дают миллиарды на инновации и утилизацию | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

Почему Евросоюз вдруг настолько озаботился аккумуляторами, что утверждает вторую за 14 месяцев многомиллиардную программу государственной поддержки их европейских производителей? Потому что магистральным направлением развития мирового автопрома становится выпуск электромобилей, их ключевым элементом являются именно аккумуляторные батареи, производство которых, однако, до самого последнего времени было сосредоточено в Азии и США.

В результате европейские автостроители могли оказаться в ситуации, когда им пришлось бы закупать на стороне главную деталь для своей продукции. Это стало угрожать конкурентоспособности и стратегическим перспективам одной из важнейших отраслей экономики Евросоюза. Поэтому надо было срочно переломить ситуацию.   

Марош Шевчович ждет революцию на рынке аккумуляторов

«Около трех лет назад аккумуляторная промышленность в ЕС практически отсутствовала. Сегодня Европа — глобальный центр батарейной отрасли», — подчеркнул Марош Шефчович, вице-президент Европейской комиссии (ЕК), главного исполнительного органа ЕС, давая 26 января «зеленый свет» проекту European Battery Innovation. Он признан «проектом, представляющим общеевропейский интерес» (IPCEI).

Тем самым Брюссель разрешил правительствам 12 стран выделить в общей сложности 2,9 млрд евро на государственную поддержку 42 компаний, разрабатывающих инновационные технологии производства и утилизации аккумуляторных батарей для электромобилей. Ожидается, что эти субсидии приведут к притоку еще 9 млрд евро частных инвестиций.

Производство аккумуляторных батарей на заводе Volkswagen в немецком Зальцгиттере

«Благодаря ориентации на батареи следующего поколения, этот мощный общеевропейский проект поможет произвести революцию на рынке аккумуляторов», — считает Марош Шефчович. По его словам, к 2025 году созданные в ЕС аккумуляторные батареи будут ежегодно приводить в движение не менее 6 миллионов новых электромобилей.

В первом «батарейном альянсе», субсидирование которого в размере 3,2 млрд евро ЕК одобрила в декабре 2019 года, участвовали 7 стран. Наряду с Германией, которая уже тогда выступила инициатором и координатором проекта, это были Бельгия, Италия, Польша, Финляндия, Франция и Швеция. Теперь к ним присоединились еще и Австрия, Греция, Испания, Хорватия, Словакия.

Цель: создание литий-ионных аккумуляторов 3-го и 4-го поколений

От государственной поддержки выиграют не только четыре десятка непосредственных получателей субсидий. ЕК указывает, что эти компании запланировали осуществить до 2028 года порядка 300 проектов, к которым будут привлечены свыше 150 партнеров со всей Европы — университеты, научные центры, малые и средние предприятия.  

Завод по производству лития в Боливии

В списке от Германии — 11 компаний. Самые известные из них — BMW и Tesla. Баварский автостроитель в рамках первого проекта IPCEI уже получает субсидии на разработку следующего поколения литий-ионных аккумуляторов. Теперь, в рамках второго проекта, ему предоставят господдержку на разработку еще одного поколения таких аккумуляторов, а также «для создания прототипа производственной установки по выпуску инновационных батарейных модулей и батарейных систем, более приспособленных для рециклинга», указывается в разъяснениях на сайте министерства экономики ФРГ (BMWI).

Кстати, над созданием «высокоэффективных машин и процессов для полностью автоматизированного производства литиумных батарей 3-го и 4-го поколения» будет работать и машиностроительная компания Manz из Ройтлингена — еще один получатель субсидий из немецкого списка.

Рециклинг, ресурсосбережение и снижение углеродного следа 

Появление в нем американской корпорации Tesla сначала может удивить. Однако с тех пор, как компания Илона Маска строит в Грюнхайде под Берлином завод по выпуску электромобилей и батарей, она как инвестор в экономику Германии имеет полное право на различные формы господдержки. «Центральная цель Tesla в этом проекте состоит в разработке и реализации прогрессивных методов производства и рециклинга литий-ионных батарей, чтобы существенно снизить их экологический след и их себестоимость», поясняет BMWI.

Грюнхайде под Берлином, ноябрь 2020. Строительство гигафабрики Tesla идет полным ходом

О рециклинге или утилизации, об экологических аспектах выпуска электромобилей и о ресурсосбережении речь идет в пояснениях и к другим участникам проекта. Среди них — компания SGL Carbon из Висбадена, разрабатывающая «для инновационных анодных материалов новейшие производственные процессы и концепции рециклинга». Благодаря «снижению углеродного следа, потребления материалов и энергии, а также увеличению жизненного цикла батарей» компания способствует достижению климатических целей ЕС, подчеркивает министерство.

В свою очередь, фирма ACI Systems из города Циммерн-об-Ротвайль получит от немецкого государства деньги на разработку конкурентоспособной технологии для получения «с минимизированным углеродным следом» лития из насыщенной солями природной воды.

Впредь аккумуляторные батареи будут Made in Europe

А фирме Liofit из Каменца будут предоставлены субсидии, поскольку она накапливает ценный ноу-хау для циркулярной экономики (экономики замкнутого цикла). Она специализируется на рециклинге литий-ионных аккумуляторных батарей для электровелосипедов и электросамокатов. «Эти аккумуляторы проверяются, разбираются, рекомбинируются, ремонтируются, а то, что больше нельзя использовать, измельчается с целью повторного использования сырья», указывает BMWI.

По мнению министра экономики ФРГ Петера Альтмайера (Peter Altmaier), полученное от ЕС разрешение на реализацию второго проекта поддержки всей цепочки производства аккумуляторных батарей Made in Europe создаст в Евросоюзе критическую массу для развития новой отрасли, вызовет широкомасштабные частные инвестиции и будет способствовать созданию новых, перспективных рабочих мест. Пока Азия еще лидирует с большим отрывом, но впредь «Германия и Европа будут сами создавать конкурентоспособные, инновационные и щадящие окружающую среду батареи», считает министр.

Смотрите также:

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Электростанция из аккумуляторов

    Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Большие батареи на маленьком острове

    Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью — ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Главное — хорошие насосы

    Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) — старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Место хранения — норвежские фьорды

    Оптимальные природные условия для ГАЭС — в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Электроэнергия превращается в газ

    Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке — пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария).

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Водород в сжиженном виде

    Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    В чем тут соль?

    Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Каверна в роли подземной батарейки

    На северо-западе Германии много каверн — пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Крупнейший «кипятильник» Европы

    Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего «кипятильника» Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Накопители энергии на четырех колесах

    Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото — заправка для электромобилей в Китае).

    Автор: Андрей Гурков


Японцы представили твердотельный аккумулятор с рекордной емкостью

Японская компания Hitachi Zosen представила новый твердотельный аккумулятор, пишет Nikkei Asia. Сообщается, что он обладает рекордной емкостью: 1000 миллиампер-часов, что в семь раз больше, чем у предыдущего такого источника питания этой компании.

Главным преимуществом твердотельных аккумуляторов является их возможность работать в широком температурном диапазоне. Так, новая модель сохраняет полную работоспособность при температурах от -40 до +100 градусов по Цельсию. И если первое немаловажно зимой, то второе означает, что такие аккумуляторы не боятся перегрева и значит допускают сверхбыструю зарядку электрической энергией высокой мощности.

Чтобы испытать аккумулятор, производитель договорился с Японским космическим агентством об отправке его на Международную космическую станцию, где он послужит источником питания для расположенной снаружи камеры.

Емкость в 1000 миллиампер-часов хотя и является рекордной, но пока не сравнима с емкостью литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях. Так, у элемента 2170 в Tesla Model 3 этот показатель составляет 5000, а в новых аккумуляторах 4680 он будет существенно больше. Крупные призматические аккумуляторы, например такие как Ultium от новых электромобилей GM, обладают в сотни раз большей емкостью.

При этом напряжение твердотельного элемента питания Hitachi Zosen равно 3,65 вольтам, что почти не отличается от стандартного напряжения литий-ионных аккумуляторов. Иными словами, пять новых элементов могли бы заменить один элемент от Tesla Model 3.

Теоретически, из таких твердотельных элементов питания можно было бы собрать батарею для электромобиля, просто увеличив в ней количество аккумуляторов в пять раз. К сожалению, мы не знаем размеров и веса новинки от Hitachi Zosen и не можем представить, какой могла бы получиться из них батарея.

Батареи из твердотельных аккумуляторов являются давней мечтой многих автопроизводителей. В частности, по слухам Toyota готовится представить такой электромобиль уже в этом году. Другие компании считают, что эта технология не будет готова еще много лет.

Новая технология должна продлить жизнь аккумуляторам Высокоэффективный материал электродов повысит их долговечность

Текст Александр Пономарёв

Австралийские ученые из Университета Аделаиды разработали новый электродный материал для катализа реакций в аккумуляторах и повышения долговечности металл-серных батарей

Металл-серные батареи на сегодняшний день считаются основными кандидатами на звание накопителей энергии следующего поколения благодаря их низкой стоимости и высокой плотности энергии. Есть у них и недостаток — как правило, такие батареи страдают от низкой долговечности и количество циклов заряда-разряда для них ограничено.

Исследователи представили технологию, которая позволяет увеличить количество циклов заряда-разряда для литий-серных аккумуляторов до 10 тысяч.

Работа ученых потенциально открывает путь к новому поколению металл-серных батарей, которые могут накапливать по меньшей мере вдвое больше энергии на килограмм массы, чем существующие литий-ионные аккумуляторы.

Натрий-серные батареи вдобавок в несколько раз дешевле литий-ионных, которые сегодня являются основным источником питания множества устройств — от мобильных устройств до электрокаров. Кроме того, материалы, используемые в натрий-серных батареях, являются экологически чистыми. Полученные результаты, уверены авторы работы, позволят сделать металл-серные батареи технически и экономически реализуемыми на практике в серийном производстве уже в течение ближайших 5-10 лет.

Однако новые батареи, как полагают эксперты, едва ли снизят спрос на литий:

Читать на ЦО.РФ

Новые типы батарей не снизят спрос на литий Выпуск натрий-ионных аккумуляторов, на который возлагаются основные надежды, скорее всего, их не оправдает

Обсуждение перспектив лития вызвано планами китайской компании CATL, (контролирует 30% мирового рынка аккумуляторов) перейти на безлитиевые технологии с натрий-ионными батареями. Однако производители лития не спешат выбрасываться в окна с криками «Я разорен!»

какими могут быть аккумуляторы будущего

В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые. Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом.

Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.

Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.

Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Зарядное устройство Bioo


Это устройство в виде специального горшка для растений , использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов. Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.

Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками


В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы , которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы


В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах . Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы

В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу , в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы , превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20-30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки

Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку , в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы


Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat , который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера


Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов . Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы


Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы


Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости


Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов : полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки


В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор , который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде

Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды , простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу


uBeam — зарядка по воздуху


uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам , в том числе от голосов людей.

StoreDot


Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

Прозрачная солнечная панель


В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона для понтов Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

Теги: Добавить метки

Представьте себе мобильный телефон, который держит заряд больше недели, а затем заряжается за 15 минут. Фантастика? Но она может стать реальностью благодаря новому исследованию ученых Северо-Западного университета (г. Эванстон, штат Иллинойс, США). Команда инженеров разработала электрод для литиево-ионных перезаряжаемых батарей (которые сегодня используются в большинстве сотовых телефонов), позволивший увеличить их энергетическую емкость в 10 раз. Этим приятные сюрпризы не ограничиваются — новые аккумуляторные устройства умеют заряжаться в 10 раз быстрее нынешних.

Для преодоления ограничений, налагаемых существующими технологиями на энергетическую ёмкость и скорость заряда батареи, ученые применили два различных химико-технологических подхода. Полученный в результате аккумулятор позволит не только продлить время работы мелких электронных устройств (вроде телефонов и лэптопов), но и подготовить почву для разработки более эффективных и компактных батарей для электромобилей.

«Мы нашли способ продлить время удержания заряда новой литиево-ионной батареей в 10 раз», — сообщил профессор Гарольд Х. Кунг (Harold H. Kung), один из ведущих авторов исследования. — «Даже после 150 сеансов зарядки/разрядки, что означает не менее года работы, она остается впятеро эффективнее, чем литиево-ионные баратеи, присутствующие сегодня на рынке».

Работа литиево-ионной батареи основана на химической реакции, в которой ионы лития движутся между анодом и катодом, размещенными на противоположных концах батареи. В процессе эксплуатации аккумулятора ионы лития мигрируют от анода через электролит к катоду. При зарядке же их направление сменяется прямо противоположным. Существующие на данный момент аккумуляторы имеют два важных ограничения. Их энергетическая емкость — то есть время удержания заряда батареей — ограничена плотностью заряда, или тем, сколько ионов лития может разместиться на аноде или катоде. В то же время скорость зарядки такого аккумулятора ограничена скоростью, с которой ионы лития способны двигаться через электролит к аноду.

В нынешних перезаряжаемых батареях в аноде, созданном из множества графеновых листов, на каждые шесть атомов углерода (из которых состоит графен) может приходиться лишь один атом лития. В попытке увеличить энергетическую емкость аккумуляторов ученые уже экспериментировали с заменой углерода на кремний, способный вместить куда больше лития: по четыре атома лития на каждый атом кремния. Однако кремний в процессе зарядки резко расширяется и сжимается, чем вызывает фрагментацию вещества анода и, как результат, быструю потерю зарядной емкости батареи.

В настоящее время малая скорость зарядки батареи объясняется формой графеновых листов: по сравнению с толщиной (составляющей всего один атом) их длина оказывается непомерно большой. Во время зарядки ион лития должен преодолеть расстояние до внешних краев графеновых листов, а затем пройти между ними и остановиться где-то внутри. Так как для достижения середины графенового листа литию требуется немалое время, у краев его наблюдается что-то вроде ионного затора.

Как уже говорилось, исследовательская группа Кунга решила обе эти проблемы, взяв на вооружение две различные технологии. Во-первых, для обеспечения устойчивости кремния и, соответственно, поддержания максимальной зарядной емкости батареи, они разместили кластеры кремния между графеновыми листами. Это позволило увеличить количество ионов лития в электроде, одновременно используя гибкость графеновых листов для учета изменений объема кремния в процессе зарядки/разрядки батареи.

«Теперь мы одним выстрелом убиваем обоих зайцев», — говорит Кунг. — «Благодаря кремнию мы получаем более высокую плотность энергии, а чередование слоев уменьшает потерю мощности, вызванную расширением с сокращением кремния. Даже при разрушении кластеров кремния сам кремний больше никуда не денется».

Кроме того, исследователи использовали процесс химического окисления для создания миниатюрных (10-20 нанометров) отверстий в графеновых листах («in-plane defects»), обеспечивающих ионам лития «быстрый доступ» внутрь анода с последующим хранением в нем в результате реакции с кремнием. Это уменьшило время, необходимое для зарядки батареи, в 10 раз.

Пока что все усилия по оптимизации работы батарей были направлены на одну из их составляющих — анод. На следующем этапе исследований ученые с той же целью планируют изучить изменения в катоде. Кроме того, они хотят доработать электролитную систему таким образом, чтобы батарея могла автоматически (и обратимо) выключаться при высоких температурах — подобный защитный механизм мог бы пригодиться при использовании батарей в электромобилях.

По словам разработчиков, в текущем виде новая технология должна выйти на рынок в течение ближайших трех-пяти лет. Статья, посвященная результатам исследования и разработки новых аккумуляторных батарей, была опубликована в журнале «Advanced Energy Materials».

Более 200 лет назад немецким физиком Вильгельмом Риттером был создан первый в мире аккумулятор. По сравнению с уже существующей тогда батареей А. Вольты, накопительное устройство Вильгельма можно было многократно заряжать‒разряжать. В течение двух столетий аккумулятор электричества сильно изменился, но в отличие от «колеса» его продолжают изобретать и по сей день. Сегодня новые технологии в производстве аккумуляторов продиктованы появлением новейших устройств, нуждающихся в автономном питании. Новые и более мощные гаджеты, электромобили, летающие дроны ‒ все эти устройства требуют небольших по размерам, легких, но более емких и долговечных аккумуляторных батарей.

Принципиальное устройство аккумулятора можно описать в двух словах – это электроды и электролит. Именно от материала электродов и состава электролита зависят характеристики аккумулятора и определяется его тип. В настоящее время существует более 33 типов переряжаемых источников электропитания, но наиболее применяемые из них:

  • свинцово-кислотные;
  • никель-кадмиевые;
  • никель-металл-гидридные;
  • литий-ионные;
  • литий-полимерные;
  • никель-цинковые.

Работа любого из них заключается в обратимой химической реакции, то есть происходящая при разрядке реакция восстанавливается при зарядке.

Область применения аккумуляторов довольно широка и в зависимости от вида устройства, которое от него работает, к батарее питания предъявляются определенные требования. Например, для гаджетов он должен быть легким, минимально габаритным и иметь достаточно большую емкость. Для электроинструмента или летающего дрона важен ток отдачи, так как потребление электрического тока достаточно высокое. При этом есть требования, которые предъявляются ко всем элементам питания – это высокая емкость и ресурс циклов зарядки.

Над этим вопросом работают ученые во всем мире, проводится масса исследований и испытаний. К сожалению, многие образцы, показавшие превосходные электрические и эксплуатационные результаты, оказались слишком дорогими по стоимости и не были запущены в серийное производство. С технической стороны, лучшими материалами для создания аккумуляторов становятся серебро и золото, а с экономической ‒ цена такого изделия будет недоступна для потребителя. При этом поиск новых решений не прекращается и первым значимым прорывом стал литий-ионный аккумулятор.

Впервые он был представлен в 1991 году японской компанией Sony. Батарея характеризовалась высокой плотностью и низким саморазрядом. При этом у неё были недостатки.

Первое поколение таких источников питания было взрывоопасным. Со временем эксплуатации на аноде накапливались дендриды, которые приводили к замыканию и возгоранию. В процессе усовершенствования в следующем поколении применили графитный анод и этот недостаток был устранен.

Вторым минусом стал эффект памяти. При постоянной неполной зарядке аккумуляторная батарея теряла емкость. Работа над устранением этого недостатка была дополнена новой тенденцией стремления к миниатюризации. Желание создавать ультратонкие смартфоны, ультрабуки и другие устройства требовало от науки разработок нового источника питания. К тому же уже устаревшая ионно-литиевая батарея не удовлетворяла запросы моделистов, которым нужен был новый источник электричества с гораздо большей плотностью и высоким током отдачи.

В результате в литий-ионной модели был применен полимерный электролит, а эффект превзошел все ожидания.

Усовершенствованная модель не только была лишена эффекта памяти, но и в разы превосходила своего предшественника по всем параметрам. Впервые удалось создать батарею толщиной всего в 1 мм. При этом её формат мог быть самым разнообразным. Такие элементы питания стали пользоваться большим спросом сразу и у моделистов, и у производителей мобильных телефонов.

Но недостатки все же были. Элемент оказался пожароопасным, при перезарядке нагревался и мог воспламениться. Современные полимерные батареи оснащаются встроенной схемой, предотвращающей перезаряд. Рекомендуется также заряжать их только специальными зарядными устройствами, идущими в комплекте или аналогичными моделями.

Не менее важная характеристика элемента питания – себестоимость. На сегодня это самая большая проблема на пути развития аккумуляторов.

Питание электромобиля

Компания Тесла Моторс создает аккумуляторы по новым технологиям на основе комплектующих торговой марки Панасоник. Окончательно секрет не раскрывается, а вот результат испытаний радует. Экомобиль Tesla Model S, оснащенный аккумулятором всего 85 кВт*ч, на одном заряде проехал чуть больше 400 км. Конечно, мир не без любознательных, поэтому одну из таких батарей, стоимостью 45 000 USD, все же вскрыли.

Внутри оказалось множество литий-ионных ячеек Панасоник. При этом вскрытие не дало всех ответов, которые хотелось бы получить.

Технологии будущего

Несмотря на длительный период застоя, наука находится на грани великого прорыва. Вполне возможно уже завтра мобильный телефон будет работать месяц без подзарядки, а электромобиль преодолевать по 800 км на одном заряде.

Нанотехнологии

Ученые Южно-Калифорнийского университета утверждают, что замена графитовых анодов на кремниевые провода диаметром 100 нм увеличит емкость батареи в 3 раза, а время зарядки сократит до 10 минут.

В Стэнфордском университете предложили принципиально новый вид анодов. Пористые углеродные нанопровода, покрытые серой. По их утверждению такой источник питания аккумулирует в 4-5 раз больше электроэнергии, чем Li-ion батарея.

Ученый из США Дэвид Кизайлус заявил, что аккумуляторные батареи на основе кристаллов магнетита будут не только более ёмкими, но и сравнительно дешевыми. Ведь добывать эти кристаллы можно из зубов панцирного моллюска.

Учёные Вашингтонского университета смотрят на вещи более практично. Они уже запатентовали новые технологии для аккумуляторов, в которых вместо графитного электрода применен анод из олова. Все остальное не изменится и новые батареи смогут легко заменить старые в наших привычных гаджетах.

Революция уже сегодня

Снова электромобили. Пока они еще уступают автомобилям по мощности и пробегу, но это ненадолго. Так утверждают представители корпорации IBM, которые предложили концепцию литий-воздушных аккумуляторов. Более того, новый превосходящий по всем параметрам источник питания обещано представить потребителю уже в этом году.

В отношении аккумуляторов действует правило «все или ничего». Без энергетических накопителей нового поколения не будет ни перелома в энергетической политике, ни на рынке электромобилей.

Закон Мура, постулируемый в IT-индустрии, обещает увеличение производительности процессоров каждые два года. Развитие аккумуляторов отстает: их эффективность увеличивается в среднем на 7% в год. И хотя литий-ионные батареи в современных смартфонах работают все дольше и дольше, это во многом связано с оптимизированной производительностью чипов.

Литий-ионные батареи доминируют на рынке из-за их малого веса и высокой плотности накапливаемой энергии.

Ежегодно миллиарды аккумуляторов устанавливаются в мобильные устройства, электромобили и системы для хранения электричества от возобновляемых источников энергии. Однако современная техника достигла своего предела.

Хорошей новостью является то, что следующее поколение литий-ионных батарей уже почти соответствует требованиям рынка. В качестве аккумулирующего материала в них применяется литий, который теоретически позволяет в десять раз увеличить плотность хранения энергии.

Наряду с этим приводятся исследования других материалов. Хотя литий и обеспечивает приемлемую плотность энергии, однако речь идет о разработках на несколько порядков оптимальнее и дешевле. В конце концов, природа могла бы предоставить нам лучшие схемы для высококачественных аккумуляторов.

Научно-исследовательские лаборатории университетов разрабатывают первые образцы органических аккумуляторов . Однако до выхода таких биобатарей на рынок может пройти не одно десятилетие. Мостик в будущее помогают протянуть малогабаритные батареи, которые заряжаются путем улавливания энергии.

Мобильные источники питания

По данным компании Gartner, в этом году будет продано более 2 млрд. мобильных устройств, в каждом из которых установлен литий-ионный аккумулятор. Эти аккумуляторы сегодня считаются стандартом, отчасти потому, что они весьма легкие. Тем не менее они обладают максимальной плотностью энергии только 150-200 Вт·ч/кг.

Литий-ионные батареи заряжаются и отдают энергию путем перемещения ионов лития. При зарядке положительно заряженные ионы двигаются от катода через раствор электролита между слоями графита анода, накапливаются там и присоединяют электроны тока зарядки.

При разрядке они отдают электроны в контур тока, ионы лития перемещаются обратно к катоду, в котором они вновь связываются с находящимся в нем металлом (в большинстве случаев — кобальтом) и кислородом.

Емкость литий-ионных аккумуляторов зависит от того, какое количество ионов лития может располагаться между слоями графита. Однако благодаря кремнию сегодня можно добиться более эффективной работы аккумуляторов.

Для сравнения: для связывания одного иона лития требуется шесть атомов углерода. Один атом кремния, напротив, может удерживать четыре иона лития.

Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития).

Кремний повышает емкость

Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.

Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius , созданном учеными из Стэндфордского университета. Проект Amprius получил поддержку таких лю­дей, как Эрик Шмидт (председателя совета директоров Google) и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу (до 2013 года – министр энергетики США).


Пористый кремний в аноде увеличивает эффективность литий-ионных аккумуляторов до 50%. В ходе реализации стартап-проекта Amprius же произведены первые кремниевые аккумуляторы.

В рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них — применение пористого кремния , который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.

Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок . В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).

«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.

Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния , которые непосредст­венно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.


Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.

В начале 90-х годов произошел серьезный шаг в технологии разработки аккумуляторов — изобретение литий-ионных накопителей энергии. Это позволило нам увидеть смартфоны и даже электромобили в том виде, в каком они существуют сейчас, но с тех пор не было изобретено ничего серьезного в этой области, в электронике до сих пор используется именно этот тип.

В свое время, Li-ion батареи с увеличенной емкостью и отсутствием «эффекта памяти» действительно были прорывом в технологии, но сейчас они уже не справляются с возросшей нагрузкой. Появляется все больше смартфонов с новыми, полезными функциями, которые в итоге увеличивают нагрузку на аккумулятор. При этом, электромобили с такими аккумуляторами все еще слишком дороги и малоэффективны.

Для того, чтобы смартфоны работали продолжительное время и оставались небольшого размера, нужны новые аккумуляторы.

Аккумуляторы с жидкостными электродами

Одна из интересных попыток решить проблемы традиционных аккумуляторов — разработка «проточных» аккумуляторов с жидким электролитом. Принцип работы таких аккумуляторов основан на взаимодействии двух заряженных жидкостей, прогоняемых насосами через ячейку, где вырабатывается электрический ток. Жидкости в этой ячейке не смешиваются, а разделяются мембраной, через которую проходят заряженные частицы, все как в обычном аккумуляторе.

Аккумулятор можно как заряжать обычным способом, так и заливать новый, заряженный электролит, в этом случае процедура займет всего пару минут, все равно что залить бензин в бензобак. Этот способ прежде всего подходит для автомобиля, но пригодится и для электроники.

Натриевые аккумуляторы

Основные недостатки литий-ионных аккумуляторов — дороговизна материалов, относительно небольшое количество циклов разрядки-зарядки и пожароопасность. Поэтому уже долгое время ученые пытаются усовершенствовать эту технологию.

В Германии сейчас ведутся работы над натриевыми аккумуляторами , которые должны стать более долговечными, дешевыми и емкими. Электроды нового аккумулятора будут собраны из разных слоев, что позволяет быстро заряжать аккумулятор. В настоящее время идет поиск более надежной конструкции электрода, после чего можно будет сделать вывод, пойдет эта технология в производство, либо какая-то другая разработка окажется лучше.

Литий-серные аккумуляторы

Еще одна новая разработка — литий-серные аккумуляторы. В этих батареях планируется использовать катод из серы, что будет означать существенное удешевление батареи. Эти аккумуляторы уже находятся в высокой степени готовности и скоро могут пойти в серийное производство.

Теоретически, литий-серные аккумуляторы позволяют достичь более высокой энергоемкости, чем литий-ионные, которые уже подошли к своим предельным возможностям. Очень важно, что литий-серные аккумуляторы можно полностью разряжать и неограниченное время хранить в полностью разряженном виде без эффекта памяти. Сера вторичный продукт переработки нефти, в новых аккумуляторах не будет тяжелых металлов (никель и кобальт), новый состав батарей будет более экологичным и аккумуляторы будет проще утилизировать.

Совсем скоро будет известно, какая технология окажется наиболее перспективной и вытеснит устаревающие литий-ионные аккумуляторы.

А пока предлагаем Вам познакомиться с популярной профессией .

Типы аккумуляторных батарей для систем автономного электроснабжения

В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel).

Мы постараемся избегать формул и научных обоснований, просто приведем причины, по которым нужно выбирать тот или иной тип аккумуляторов в зависимости от конкретного применения системы электроснабжения.

Основные типы аккумуляторов

Существует 3 лидирующих технологии аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, щелочные и литий-ионные. Каждая из этих технологий имеет свои уникальные достоинства и недостатки, которые определяют их применение в различных случаях. Смотрите по ссылкам для более подробной информации о каждом из типов аккумуляторов:

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Наиболее распространенным типом АБ являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметизированные (в последнее время становятся все более популярными вследствие снижения цены).

Специальные батареи с намазными пластинами для использования в системах автономного электроснабжения часто собираются из отдельных аккумуляторов с напряжением 2 вольта, соединенных вместе. АБ меньшей емкости с напряжением 6 и 12 вольт также используются, но реже. Такие батареи выпускаются в основном в Европе и в США. Они сравнительно дорогие. В последнее время на российском рынке появились такие аккумуляторы китайского производства. При практически таких же характеристиках, китайские аккумуляторы значительно (в полтора-два раза) дешевле.

Тяговые аккумуляторы, как с жидким электролитом, так и герметизированные, предназначены для цикличных режимов работы. Аналогичными параметрами обладают и модификации deep cycle (глубокого разряда). Они более подходят для автономных систем энергоснабжения. Они дороже обычных герметизированных АБ, но и срок службы у них больше.

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы имеют аналогичный принцип действия, как и обычные автомобильные стартерные аккумуляторы. Это наиболее зрелая технология, и по некоторым уникальным параметрам ей до сих пор не найдена замена. Эти аккумуляторы нельзя выбрасывать просто на свалку, так как они содержат высокотоксичные свинец и серную кислоту. Однако они очень легко утилизируются и свинец может быть использован повторно. Эти аккумуляторы заряжаются гораздо медленнее, чем другие аккумуляторы (примерна в 5 раз медленнее), но зато в состоянии обеспечивать гораздо больше мощности для питания мощных потребителей.

Самым большим недостатком свинцово-кислотных аккумуляторов является их вес. Из-за этого они имеют наихудшие показатели по удельной плотности энергии. Однако, широкое распространение элементов, используемых в этих аккумуляторах и простота их производства обуславливают не только их широкое применение, но и намного меньшую цену.

Подробно различные типы свинцово-кислотных АБ рассмотрены в статье «Типы свинцово-кислотных аккумуляторов«.

Щелочные аккумуляторы

Кислотный аккумулятор не переносит глубокой разрядки, но не прочь подзаряжаться порциями при каждом удобном случае. Щелочной наоборот, не любит отдавать больших токов, зато токи в количестве примерно 1/10 емкости готов отдавать долго и до изнеможения. То есть полный разряд он не только допускает, но и всячески приветствует (поскольку, если зарядить не разряженный полностью щелочной аккумулятор, он не наберет полной емкости — действует так называемый «эффект памяти», наиболее выраженный у никель-кадмиевых аккумуляторов). Короче, заряжать/разряжать щелочной аккумулятор порциями нельзя — только "от и до". Зато при правильной эксплуатации (помимо зарядки/разрядки она подразумевает промывку банок и замену электролита раз в сезон ) щелочники служат до 20 лет (точнее, 1000-1500 полных циклов). Также, щелочные аккумуляторы плохо заряжаются малыми токами. То есть, ток через них течет, а заряда нет.

Этим объясняется тот факт, что щелочные аккумуляторы не нашли широкого применения в системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии. Никель-кадмиевые и никель-металгидридные герметичные батареи могут использоваться в некоторых случаях. Хотя они намного дороже кислотных, зато имеют очень большой срок службы и имеют более стабильное напряжение в процессе разряда. Применяются обычно в переносных или мобильных источниках питания, т.к. позволяют запасать большее количество энергии на кг веса.

NiMh аккумуляторы появились на массовом рынке в 1980-х годах как более экологически чистая альтернатива никель-кадмиевым аккумуляторам. NiCd батареи используют высокотоксичный элемент кадмий в своем составе, и так как массовый бытовой потребитель не особо задумывается об утилизации отработанных аккумуляторов, это представляло большую проблему для окружающей среды. К недостаткам NiMh батарей относится сравнительно высокий саморазряд, который приводит к потере примерно 30% энергии в течение 1 месяца. Они также заряжаются в 2 раза дольше, чем литиевые или никель-кадмиевые аккумуляторы.

Хотя электрические параметры NiMh батарей не такие хорошие, как у NiCd, никель-металлгидридные батареи более стабильны и не так страдают от «эффекта памяти» никель-кадмиевых батарей. Их не нужно полностью разряжать перед зарядом, так как это требуют NiCd аккумуляторы, для предотвращения роста внутренних кристаллов, которые приводят к трещинам корпуса NiCd батареи. NiMh аккумуляторы формата «АА» соответствуют обычным алкалиновым батарейкам, и поэтому наиболее популярны при использовании в цифровых фотоаппаратах и камерах, портативных плеерах, радиоприемниках и фонариках.

Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы с жидким электролитом дешевле герметичных, но содержат жидкий электролит, выделяют газы при заряде и требуют периодического обслуживания и специального вентилируемого помещения. По стоимости запасенной энергии в цикле заряд-разряд сопоставимы или даже дешевле герметичных свинцово-кислотных батарей.

Мы рекомендуем использовать никель-железные аккумуляторы (обычно их используют в качестве тяговых на электротранспорте, а также на железной дороге) только в одном случае — в составе автономной дизель-аккумуляторной системы, в которой топливный генератор является единственным источником энергии. Из нашего опыта знаем, что свинцово-кислотные АБ не долго держатся в таких системах — глубокие циклы и хронический недозаряд делают свое черное дело. В этих условиях работы можно смириться с такими недостатками щелочных АБ, как невозможность заряда малыми токами (можно от генератора выставить любой, и даже лучше если ток будет большой — быстрее зарядится), эффект памяти (циклы будут как раз глубокие) и низкий КПД заряда. Для генераторной системы эффект памяти не важен — АБ разряжаются как можно сильнее, чтобы запускать генератор как можно реже.

По поводу КПД — если щелочные АБ можно заряжать большим током, то его низкий КПД с лихвой окупится более эффективным режимом работы генератора. Ведь для дозаряда свинцовых АБ требуется долго заряжать их малыми токами, т.е. практически на холостом ходу генератора. А у щелочных ограничения при заряде — это температура аккумуляторов, а также газовыделение.

Еще раз подчеркнем, что не для всякой резервной или автономной системы подходят щелочные аккумуляторы. Если есть солнечные батареи или ветроустановки, т.е. источники, которые выдают разные токи, в т.ч. и малые, щелочные аккумуляторы ставить смысла нет — энергия малых токов будет просто теряться без пользы.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Это одна из наиболее новых технологий, которая развивается быстрее других. Существуют несколько вариаций химических процессов литий-ионных технологий, но их обсуждение здесь не затрагивается. Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в малых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, гаджеты и аудиоплееры, электронные часы, карманные компьютеры и ноутбуки. Эти аккумуляторы очень хорошо снабжают малой мощностью в течение длительного времени. Они имеют очень высокую удельную плотность заряда, что значит они могут хранить значительное количество электрической энергии в малом объеме. Однако, такая концентрация энергии приводит в определенной уязвимости литий-ионных батарей.

Химия процесса литий-ионных аккумуляторов требует строгого соблюдения технологии изготовления, и загрязнения при производстве этих аккумуляторов часто приводят к ухудшению качества аккумуляторов. Многие возможно помнят отзыв тысяч ноутбуков Dell и Apple летом 2006 года, когда оказалось, что их аккумуляторы, произведенные Sony, содержат загрязнители, приводящие к их перегреву. Литиевые батареи не переносят перегрев, поэтому часто имеют встроенные электронные схемы, которые обеспечивают их безопасность за счет предотвращения перезаряда — заряд прекращается, если напряжение достигло предельного значения.

Литий-полимерные батареи, которые разработаны в последнее время, являются ‘сухой’ версией литий-ионных батарей. Они лучше себя ведут при высоких температурах (более 25C), а также позволяют изготавливать исключительно плоские батареи, вплоть до толщины кредитной карты. Вследствие особенностей технологии производства, эти батареи очень дороги, и редко их использование оправдано по сравнению с более обычными литий-ионными батареями.

Для систем электроснабжения лучше всего подходят литий-железо-фосфатные аккумуляторы. См. по ссылке подробную информацию по этому типу аккумуляторов. Купить такие аккумуляторы можно в нашем магазине.

В последнее время на российском рынке появились относительно недорогие литий-железо-фосфатные аккумуляторы производства завода Лиотех. Выпускаемые емкости — от 250 А*ч, поэтому их применение ограничено относительно мощными системами автономного или резервного электроснабжения.  Также, есть неоднозначные отзывы об этих батареях.

Одни из новейших разработок — литий-титанатные аккумуляторы. Они имеют срок службы до 25000 тысяч циклов.

Как выбрать правильную батарею?

Итак, главный вопрос — какая батарея наиболее подходит для моего случая? Ответ довольно прост, а предопределяется природой каждой из вышеперечисленных технологий аккумуляторов.

Для маленьких, маломощных электронных устройств

Литиевые аккумуляторы применяются в карманных компьютерах, мобильных телефонах, и т. п. Они обеспечивают быстрый заряд, малый вес и компактные размеры, и не требуют обслуживания. Обычно вы скорее замените свое электронное устройство, чем литиевая батарея выработает своей ресурс.

Автомобильные адаптеры существуют для большинства этих электронных устройств, и эти же адаптеры можно использовать с 12V солнечной батареей (обычно мощностью до 10 Вт).

Для цифровых фотоаппаратов и камер, радиоприемников и фонариков

Здесь применяются NiMh аккумуляторы как замена стандартных алкалиновых элементов типа ‘AA’ или ‘AAA’. Они питают достаточно хорошо вспышки фотоаппаратов, доступны повсеместно и есть очень много зарядных устройств хорошего качества в любом специализированном магазине.

основным недостатком NiMh аккумуляторов является их неспособность сохранять заряд в течение длительного времени. В 2008 году появились новые технологии NiMh батарей, которые преодолевают эти недостатки (например PowerEx Imedion).

Когда дело доходит до заряда АА батарей, появляются много возможностей. Но лучше купить хорошее зарядное устройство. Многие зарядные устройства, которые позволяют быстро заряжать аккумуляторы, приводят к их перегреву. Помните, что оптимальный ток заряда составляет 200-300 мА. Появившиеся в последнее время мощные зарядные устройства с током до 1 А не позволяют полностью заряжать ваши батареи и сокращают их срок службы.

Для солнечных электростанций

Когда нужно сохранить энергию, выработанную солнечными батареями, королями по прежнему являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Домашние фотоэлектрические системы используют специальные аккумуляторы глубокого разряда (похожие на аккумуляторы для гольф-каров). Они имеют низкую цену, широко доступны и способны сохранять энергию месяцами при очень малом саморазряде. когда вы инвестируете в солнечные батареи, очень важно не терять так дорого достающуюся электроэнергию. Работа свинцово-кислотных батарей показала в течение многих лет эксплуатации их стабильность и предсказуемость.

Маленькие переносные устройства с солнечными батареями используют маломощные литиевые аккумуляторы для того, чтобы обеспечить их малый вес и не повлиять отрицательно на их дизайн.

Почему не применяются щелочные и метал-гидридные аккумуляторы в солнечных электросистемах, предлагаемых компанией «Ваш Солнечный Дом»?

Химические процессы в литиевых и метал-гидридных аккумуляторах становятся нестабильными при больших размерах батарей. Сложность регулирования и схемы управления сильно возрастает при увеличении емкости литиевых аккумуляторов. Было бы конечно заманчиво иметь батарею намного более легкую, чем свинцово-кислотная, но, к сожалению, сейчас литиевые и металгидридные аккумуляторы наиболее подходят только для маломощных потребителей постоянного тока. Исключение составляют современные литий-железо-фосфатные аккумуляторы. При правильном подборе системы управления зарядом они могут быть заменой свинцово-кислотным аккумуляторам в системах автономного и резервного электроснабжения.

NiMh батареи трудно сделать большими, и максимальная емкость одного аккумулятора из тех, которые есть на рынке, составляет 4 А*ч. При неправильном заряде, NiMh аккумуляторы могут выделять водород . Это не проблема для пальчиковых батарей, но если аккумуляторная батарея довольно большая, то это нужно учитывать при эксплуатации. Также, если NiMh батарея выходит из строя, это происходит практически сразу. т.е. один день она работает хорошо, но на следующий день она может выдать не более 50% емкости — это не очень хорошо, если вы находитесь далеко от электрической розетки.

Литиевые батареи содержать специальные электронные схемы для обеспечения безопасной работы, и которые не позволяют их заряжать слишком быстро или перезаряжать, а также ограничивают разрядные токи. Большинство литиевых батарей не смогут выдать больше, чем их двойная номинальная емкость. Это означает, что самые большие батареи для ноутбука не могут обеспечить более 100Вт мощности. Попробуйте подключить инвертор к 12В литиевой батареи, и он даже не сможет распознать, что к нему подключена батарея. Почти все аккумуляторные батареи на литиевых аккумуляторах не поддерживают даже самые маленькие инверторы, если к ним подключена нагрузка. Также, как и NiMh аккумуляторы, литиевые выходят из строя неожиданно, когда приближается окончание их срока службы. Многие замечали, что их сотовые телефоны неожиданно начинают работать намного меньше, чем совсем недавно. Это также не добавляет уверенности в работе аккумуляторов, если вы уезжаете далеко от электрической розетки, от которой можно в любое время подзарядить аккумулятор.

Поэтому, для использования в автономных системах электроснабжения остаются только «медленные» свинцово-кислотные аккумуляторы. Они имеют большой срок службы, просты в эксплуатации и предсказуемы в работе. Эти батареи работают как резервуары, которые хранят вашу солнечную энергию до тех пор, пока она не понадобится. Они также работают как буфер для тех моментов, когда ваша солнечная батарея не может полностью обеспечить нагрузку. Они могут быть подключены к оборудованию и заряжаться одновременно — в отличие от литиевых аккумуляторов. Даже 7 А*ч аккумулятор, такой как используется в комплекте для ноутбука, может питать ноутбуки, зарядные устройства для батарей, может заряжаться от солнечных батарей и весит не так уж много.

Почитайте разделы по солнечным батареям и по контроллерам заряда, чтобы иметь более ясное представление о том, как работает солнечная энергосистема, какие режимы заряда и разряда необходимы для обеспечения надежного обеспечения энергией вдали от сетей централизованного электроснабжения.

Выбор батарей: итоговые замечания

Литиевые батареи
  • могут обеспечивать до 5000 зарядных циклов
  • Наиболее длительный срок службы при разряде на 80%
  • Могут заряжаться за 1-2 часа
  • Могут работать при минусовых температурах, но заряжать нужно при плюсовых температурах
  • Не могут заряжаться малыми токами
  • Требуют обслуживания,  выравнивания и специальной системы управления зарядом и разрядом
  • Саморазряд на уровне примерно 10% в месяц
  • Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
  • Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы
Никель-металгидридные батареи
  • Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
  • Заряд происходит за 2-4 часа
  • Могут работать при минусовых температурах
  • Не могут заряжаться малыми токами, низкая устойчивость к перезаряду
  • Могут обеспечивать большие токи при мощности до 200Вт (для самых больших NiMh батарей)
  • Требуют периодического обслуживания и выравнивания (каждые 3 месяца)
  • Саморазряд на уровне примерно 30% в месяц
  • Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
  • Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы
Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы
  • Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
  • Заряжаются за 8-16 часов
  • Могут работать при минусовых температурах
  • Могут заряжаться малыми токами
  • Не требуют обслуживания, но желательно следить за уровнем заряженности и периодически проводить тренировочные циклы
  • Могут обеспечить высокие разрядные токи при больших мощностях
  • Желательно не разряжать более, чем на 50%
  • Саморазряд — около 3% в месяц
  • Хранить при комнатной температуре и полностью заряженными
  • Содержат токсичные материалы и должны быть утилизированы после окончания срока службы

Подробно о видах и применении свинцово-кислотных аккумуляторов в статье Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Эта статья прочитана 30539 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 69

    Эксплуатационный ресурс герметичных свинцовых аккумуляторных батарей в составе электронного оборудования Мерунко Александр Анатольевич Технический директор ООО «Диск», г. Томск В настоящее время на потребительском рынке вторичных источников тока лидирующее положения (вследствие относительно низкой стоимости) занимают герметичные свинцовые аккумуляторные батареи. Их применяют…
  • 68

    Какая емкость аккумуляторной батареи нужна в  системе электроснабжения? При расчете системы автономного или резервного электроснабжения очень важно правильно выбрать емкость аккумуляторной батареи. Специалисты компании «Ваш Солнечный Дом» помогут Вам правильно рассчитать необходимую емкость АБ для вашей энергосистемы. Для предварительного расчета…
  • 68

    Классификация аккумуляторов для мобильных устройств Источник Идеального аккумулятора энергии до сих пор не существует — в разных областях для каждого типа мобильных устройств и конкретных решений сложилась определенная специфика применения источников питания, а также технологические предпочтения. Однако если вы хорошо…
  • 65

    Аккумуляторы для систем электроснабжения. Руководство покупателя В интернете есть много разрозненной информации по разным типам аккумуляторов, их возможностям, характеристикам, областям применения, достоинствам и недостаткам. При этом во многих случаях информация эта однобокая — связано это бывает или с недостаточными знаниями…
  • 61

    Применение и эксплуатация кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторов Автор: Журавлев О. В. В статье рассмотрены вопросы применения и эксплуатации кислотно-свинцовых герметичных аккумуляторных батарей, наиболее широко используемых для резервирования аппаратуры охранно-пожарной сигнализации (ОПС) Появившиеся на российском рынке в начале 90-х годов кислотно-свинцовые герметичные…
  • 60

    Как продлить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов? Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования. Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что…

Батарея «технология мечты» на шаг ближе к реальности благодаря новому открытию — ScienceDaily

Натриево-серная батарея, созданная инженерами Техасского университета в Остине, устраняет одно из самых больших препятствий, мешающих технологии стать коммерчески жизнеспособной альтернатива вездесущим литий-ионным батареям, которые питают все, от смартфонов до электромобилей.

Натрий и сера выделяются как привлекательные материалы для будущего производства аккумуляторов, поскольку они дешевле и более широко доступны, чем такие материалы, как литий и кобальт, которые также имеют проблемы с окружающей средой и правами человека.Из-за этого исследователи последние два десятилетия работали над тем, чтобы сделать жизнеспособными батареи на основе натрия при комнатной температуре.

«Я называю это технологией мечты, потому что натрий и сера широко распространены, безвредны для окружающей среды и имеют самую низкую стоимость, о которой вы только могли подумать», — сказал Арумугам Мантирам, директор Техасского института материалов UT и профессор кафедры машиностроения Уокера. «С расширением электрификации и увеличением потребности в хранении возобновляемой энергии стоимость и доступность будут единственным доминирующим фактором.»

В одном из двух последних достижений в области натриевых аккумуляторов, разработанных UT Austin, исследователи изменили состав электролита, жидкости, которая облегчает движение ионов между катодом и анодом, чтобы стимулировать зарядку и разрядку аккумуляторов. Они решили общую проблему в натриевых батареях, связанную с ростом игольчатых структур, называемых дендритами, на аноде, что может привести к быстрой деградации батареи, короткому замыканию и даже возгоранию или взрыву.

Исследователи опубликовали свои выводы в недавней статье в журнале Американского химического общества.

В предыдущих электролитах для натрий-серных батарей промежуточные соединения, образованные из серы, растворялись в жидком электролите и мигрировали между двумя электродами внутри батареи. Эта динамика, известная как челночное движение, может привести к потере материала, деградации компонентов и образованию дендритов.

Исследователи создали электролит, который предотвращает растворение серы и, таким образом, решает проблемы перемещения и дендритов.Это обеспечивает более длительный жизненный цикл батареи, демонстрируя стабильную работу более 300 циклов зарядки-разрядки.

«Когда вы кладете много сахара в воду, она становится сиропообразной. Не все растворяется», — сказал Амрут Бхаргав, докторант лаборатории Мантирама. «Некоторые вещи наполовину связаны и наполовину растворены. В батарее мы хотим, чтобы это было наполовину растворено».

Новый аккумуляторный электролит был разработан в том же духе путем разбавления концентрированного солевого раствора инертным неучаствующим растворителем, сохраняющим «полурастворенное» состояние.Исследователи обнаружили, что такой электролит предотвращает нежелательные реакции на электродах и, таким образом, продлевает срок службы батареи.

Цена на литий резко возросла за последний год, что подчеркивает потребность в альтернативах. Добыча лития подвергалась критике за ее воздействие на окружающую среду, включая интенсивное использование грунтовых вод, загрязнение почвы и воды и выбросы углерода. Для сравнения, натрий доступен в океане, дешевле и безопаснее для окружающей среды.

В литий-ионных батареях

обычно также используется кобальт, который дорог и добывается в основном в африканской Демократической Республике Конго, где он оказывает значительное воздействие на здоровье человека и окружающую среду. В прошлом году Manthiram продемонстрировала литий-ионный аккумулятор без кобальта.

Исследователи планируют развить свой прорыв, протестировав его с батареями большего размера, чтобы увидеть, можно ли его применить к таким технологиям, как электромобили и хранение возобновляемых ресурсов, таких как ветер и солнечная энергия.

Другими авторами статьи являются постдокторанты Техасского института материалов Джиаруи Хе и Вучул Шин. Исследование было поддержано грантами Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США, Отдела материаловедения и инженерии.

Инженеры создали высокоэффективную полностью твердотельную батарею с анодом из чистого кремния — ScienceDaily

Инженеры создали новый тип батареи, объединяющий два перспективных направления в одной батарее. В батарее используется как твердотельный электролит, так и полностью кремниевый анод, что делает ее полностью кремниевой твердотельной батареей. Первые этапы испытаний показали, что новая батарея безопасна, долговечна и энергоемка. Он обещает широкий спектр применений от энергосистемы до электромобилей.

Технология аккумуляторов описана в выпуске журнала Science от 24 сентября 2021 года. Наноинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего возглавили исследование в сотрудничестве с исследователями из LG Energy Solution.

Кремниевые аноды

известны своей плотностью энергии, которая в 10 раз выше, чем у графитовых анодов, наиболее часто используемых в современных коммерческих литий-ионных батареях. С другой стороны, кремниевые аноды печально известны тем, как они расширяются и сжимаются при зарядке и разрядке аккумулятора, а также тем, как они разлагаются в жидких электролитах.Эти проблемы не позволили использовать полностью кремниевые аноды в коммерческих литий-ионных батареях, несмотря на заманчивую плотность энергии. Новая работа, опубликованная в Science , предлагает многообещающий путь вперед для полностью кремниевых анодов благодаря правильному электролиту.

«С этой конфигурацией батареи мы открываем новую территорию для твердотельных батарей с использованием анодов из сплава, такого как кремний», — сказал Даррен Х. С. Тан, ведущий автор статьи. Недавно он защитил докторскую диссертацию по химическому машиностроению в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и стал соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал эту технологию.

В твердотельных батареях нового поколения с высокой плотностью энергии всегда использовался металлический литий в качестве анода. Но это накладывает ограничения на скорость заряда батареи и необходимость повышенной температуры (обычно 60 градусов Цельсия или выше) во время зарядки. Кремниевый анод преодолевает эти ограничения, обеспечивая гораздо более высокую скорость заряда при температуре от комнатной до низких, сохраняя при этом высокую плотность энергии.

Команда продемонстрировала полный элемент лабораторного масштаба, который обеспечивает 500 циклов зарядки и разрядки с сохранением емкости на 80% при комнатной температуре, что представляет собой впечатляющий прогресс как для производителей кремниевых анодов, так и для твердотельных аккумуляторов.

Кремний в качестве анода вместо графита

Кремниевые аноды, конечно, не новы. На протяжении десятилетий ученые и производители аккумуляторов рассматривали кремний как энергоемкий материал, который можно смешать с обычными графитовыми анодами в литий-ионных аккумуляторах или полностью заменить их. Теоретически кремний предлагает примерно в 10 раз большую емкость хранения, чем графит. Однако на практике литий-ионные батареи с кремнием, добавленным к аноду для увеличения плотности энергии, обычно страдают от реальных проблем с производительностью: в частности, количество раз, когда аккумулятор можно заряжать и разряжать при сохранении производительности, недостаточно велико.

Большая часть проблемы вызвана взаимодействием между кремниевыми анодами и жидкими электролитами, с которыми они были соединены. Ситуация осложняется большим объемным расширением частиц кремния при заряде и разряде. Это приводит к серьезным потерям мощности с течением времени.

«Как исследователям аккумуляторов жизненно важно решить основные проблемы в системе. Для кремниевых анодов мы знаем, что одной из больших проблем является нестабильность интерфейса жидкого электролита», — сказала профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Мэн, соответствующий автор на документ Science и директор Института исследования и дизайна материалов Калифорнийского университета в Сан-Диего.«Нам нужен был совершенно другой подход, — сказал Мэн.

Действительно, группа под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего применила другой подход: они отказались от углерода и связующих, которые поставлялись с полностью кремниевыми анодами. Кроме того, исследователи использовали микрокремний, который меньше обрабатывается и дешевле, чем нанокремний, который используется чаще.

Полностью твердотельный раствор

В дополнение к удалению всего углерода и связующих веществ с анода команда также удалила жидкий электролит. Вместо этого они использовали твердый электролит на основе сульфидов. Их эксперименты показали, что этот твердый электролит чрезвычайно стабилен в батареях с полностью кремниевыми анодами.

«Эта новая работа предлагает многообещающее решение проблемы кремниевых анодов, хотя предстоит еще много работы, — сказал профессор Мэн. — Я рассматриваю этот проект как подтверждение нашего подхода к исследованиям аккумуляторов здесь, в Калифорнийском университете в Сан-Диего. строжайшая теоретическая и экспериментальная работа с творческим подходом и нестандартным мышлением.Мы также знаем, как взаимодействовать с отраслевыми партнерами, решая сложные фундаментальные задачи».

Прошлые усилия по коммерциализации анодов из кремниевых сплавов в основном были сосредоточены на кремний-графитовых композитах или на сочетании наноструктурированных частиц с полимерными связующими. Но они все еще борются с плохой стабильностью.

Заменив жидкий электролит твердым электролитом и одновременно удалив углерод и связующие вещества с кремниевого анода, исследователи избежали ряда связанных проблем, возникающих, когда аноды пропитываются органическим жидким электролитом во время работы батареи. .

В то же время, устранив углерод в аноде, команда значительно уменьшила межфазный контакт (и нежелательные побочные реакции) с твердым электролитом, избегая постоянной потери емкости, которая обычно происходит с жидкими электролитами.

Этот шаг, состоящий из двух частей, позволил исследователям в полной мере воспользоваться преимуществами низкой стоимости, высокой энергии и экологически безопасных свойств кремния.

Воздействие и побочная коммерциализация

«Твердотельный кремниевый подход преодолевает многие ограничения в обычных батареях.Это открывает для нас захватывающие возможности для удовлетворения рыночных потребностей в более высоких объемах энергии, сниженных затратах и ​​более безопасных батареях, особенно для хранения энергии в сети», — сказал Даррен Х. С. Тан, первый автор статьи Science .

Твердые электролиты на основе сульфидов часто считались крайне нестабильными. Однако это было основано на традиционных термодинамических интерпретациях, используемых в системах с жидким электролитом, которые не учитывали превосходную кинетическую стабильность твердых электролитов. Команда увидела возможность использовать это нелогичное свойство для создания высокостабильного анода.

Тан — генеральный директор и соучредитель стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал технологию для этих кремниевых полностью твердотельных батарей.

Параллельно в Калифорнийском университете в Сан-Диего будет продолжена соответствующая фундаментальная работа, в том числе дополнительные исследования в сотрудничестве с LG Energy Solution.

«Компания LG Energy Solution рада, что последние исследования в области аккумуляторных технологий, проведенные совместно с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, были опубликованы в журнале Science , что является значительным признанием», — сказал Мьюнг-Хван Ким, президент и главный специалист по закупкам LG Energy Solution.«С последним открытием LG Energy Solution намного ближе к реализации полностью твердотельных аккумуляторных технологий, которые значительно разнообразят нашу линейку аккумуляторов».

«Являясь ведущим производителем аккумуляторов, LGES продолжит свои усилия по развитию передовых технологий в ведущих исследованиях аккумуляторных элементов следующего поколения», — добавил Ким. LG Energy Solution заявила, что планирует и дальше расширять сотрудничество в области исследований твердотельных аккумуляторов с Калифорнийским университетом в Сан-Диего.

Исследование проводилось при поддержке открытой инновационной программы LG Energy Solution, которая активно поддерживает исследования, связанные с батареями.LGES работает с исследователями по всему миру, чтобы развивать соответствующие методы.

Новый высокопроизводительный твердотельный аккумулятор удивляет инженеров, которые его создали

Инженеры создают высокоэффективную полностью твердотельную батарею с анодом из чистого кремния.

Инженеры создали аккумулятор нового типа, объединяющий два перспективных подполя аккумуляторов в один аккумулятор. В батарее используется как твердотельный электролит, так и полностью кремниевый анод, что делает ее полностью кремниевой твердотельной батареей.Первые этапы испытаний показали, что новая батарея безопасна, долговечна и энергоемка. Он обещает широкий спектр применений от энергосистемы до электромобилей.

Технология аккумуляторов описана в выпуске журнала Science от 24 сентября 2021 года. Наноинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего возглавили исследование в сотрудничестве с исследователями из LG Energy Solution.

Кремниевые аноды

славятся своей плотностью энергии, которая в 10 раз выше, чем у графитовых анодов, наиболее часто используемых в современных коммерческих литий-ионных батареях.С другой стороны, кремниевые аноды печально известны тем, как они расширяются и сжимаются при зарядке и разрядке аккумулятора, а также тем, как они разлагаются в жидких электролитах. Эти проблемы не позволили использовать полностью кремниевые аноды в коммерческих литий-ионных батареях, несмотря на заманчивую плотность энергии. Новая работа, опубликованная в Science , предлагает многообещающий путь вперед для полностью кремниевых анодов благодаря правильному электролиту.

1) Полностью твердотельная батарея состоит из катодного композитного слоя, сульфидного слоя твердого электролита и безуглеродистого микрокремниевого анода. 2) Перед зарядкой дискретные микрочастицы кремния составляют энергетически плотный анод. Во время зарядки аккумулятора положительные ионы лития перемещаются от катода к аноду, и формируется стабильный 2D-интерфейс. 3) Чем больше ионов лития попадает в анод, тем больше ионов лития вступает в реакцию с микрокремнием, образуя взаимосвязанные частицы литий-кремниевого сплава (Li-Si). Реакция продолжает распространяться по всему электроду. 4) Реакция вызывает расширение и уплотнение частиц микрокремния, образуя плотный электрод из сплава Li-Si.Механические свойства сплава Li-Si и твердого электролита играют решающую роль в поддержании целостности и контакта вдоль двумерной межфазной плоскости. Предоставлено: Калифорнийский университет в Сан-Диего,

.

«С этой конфигурацией батареи мы открываем новую территорию для твердотельных батарей, использующих аноды из сплава, такого как кремний», — сказал Даррен Х. С. Тан, ведущий автор статьи. Недавно он защитил докторскую диссертацию по химическому машиностроению в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и стал соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал эту технологию.

В твердотельных батареях нового поколения с высокой плотностью энергии всегда использовался металлический литий в качестве анода. Но это накладывает ограничения на скорость заряда батареи и необходимость повышенной температуры (обычно 60 градусов Цельсия или выше) во время зарядки. Кремниевый анод преодолевает эти ограничения, обеспечивая гораздо более высокую скорость заряда при температуре от комнатной до низких, сохраняя при этом высокую плотность энергии.

Команда продемонстрировала полный элемент лабораторного масштаба, который обеспечивает 500 циклов зарядки и разрядки с сохранением емкости на 80% при комнатной температуре, что представляет собой впечатляющий прогресс как для производителей кремниевых анодов, так и для твердотельных аккумуляторов.

Кремний в качестве анода вместо графита

Кремниевые аноды, конечно, не новы. На протяжении десятилетий ученые и производители аккумуляторов рассматривали кремний как энергоемкий материал, который можно смешать с обычными графитовыми анодами в литий-ионных аккумуляторах или полностью заменить их. Теоретически кремний предлагает примерно в 10 раз большую емкость хранения, чем графит. Однако на практике литий-ионные батареи с кремнием, добавленным к аноду для увеличения плотности энергии, обычно страдают от реальных проблем с производительностью: в частности, количество раз, когда аккумулятор можно заряжать и разряжать при сохранении производительности, недостаточно велико.

Большая часть проблемы вызвана взаимодействием между кремниевыми анодами и жидкими электролитами, с которыми они были соединены. Ситуация осложняется большим объемным расширением частиц кремния при заряде и разряде. Это приводит к серьезным потерям мощности с течением времени.

«Исследователям батарей жизненно важно решить основные проблемы в системе. Для кремниевых анодов мы знаем, что одной из больших проблем является нестабильность интерфейса жидкого электролита», — сказала профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Менг, соответствующий автор статьи Science и директор Института исследования и дизайна материалов в Калифорнийский университет в Сан-Диего.«Нам нужен был совершенно другой подход, — сказал Мэн.

Действительно, группа под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего применила другой подход: они отказались от углерода и связующих, которые поставлялись с полностью кремниевыми анодами. Кроме того, исследователи использовали микрокремний, который меньше обрабатывается и дешевле, чем нанокремний, который используется чаще.

Полностью твердотельный раствор

В дополнение к удалению всего углерода и связующих веществ с анода команда также удалила жидкий электролит.Вместо этого они использовали твердый электролит на основе сульфидов. Их эксперименты показали, что этот твердый электролит чрезвычайно стабилен в батареях с полностью кремниевыми анодами.

«Эта новая работа предлагает многообещающее решение проблемы кремниевых анодов, хотя предстоит еще много работы, — сказал профессор Мэн. — Я рассматриваю этот проект как подтверждение нашего подхода к исследованиям батарей здесь, в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Мы сочетаем самую строгую теоретическую и экспериментальную работу с творчеством и нестандартным мышлением.Мы также знаем, как взаимодействовать с отраслевыми партнерами, решая сложные фундаментальные задачи».

Прошлые усилия по коммерциализации анодов из кремниевых сплавов в основном были сосредоточены на кремний-графитовых композитах или на сочетании наноструктурированных частиц с полимерными связующими. Но они все еще борются с плохой стабильностью.

Заменив жидкий электролит твердым электролитом и одновременно удалив углерод и связующие вещества с кремниевого анода, исследователи избежали ряда связанных проблем, возникающих, когда аноды пропитываются органическим жидким электролитом во время работы батареи. .

В то же время, устранив углерод в аноде, команда значительно уменьшила межфазный контакт (и нежелательные побочные реакции) с твердым электролитом, избегая постоянной потери емкости, которая обычно происходит с жидкими электролитами.

Этот шаг, состоящий из двух частей, позволил исследователям в полной мере воспользоваться преимуществами низкой стоимости, высокой энергии и экологически безопасных свойств кремния.

Воздействие и коммерциализация побочного продукта

«Твердотельный кремниевый подход преодолевает многие ограничения в обычных батареях.Это открывает для нас захватывающие возможности для удовлетворения рыночных потребностей в более высоких объемах энергии, снижении затрат и более безопасных батареях, особенно для хранения энергии в сети», — сказал Даррен Х. С. Тан, первый автор статьи Science .

Твердые электролиты на основе сульфидов часто считались крайне нестабильными. Однако это было основано на традиционных термодинамических интерпретациях, используемых в системах с жидким электролитом, которые не учитывали превосходную кинетическую стабильность твердых электролитов.Команда увидела возможность использовать это нелогичное свойство для создания высокостабильного анода.

Тан — генеральный директор и соучредитель стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал технологию для этих кремниевых полностью твердотельных батарей.

Параллельно в Калифорнийском университете в Сан-Диего будет продолжена соответствующая фундаментальная работа, в том числе дополнительные исследования в сотрудничестве с LG Energy Solution.

«Компания LG Energy Solution рада, что последние исследования в области аккумуляторных технологий, проведенные совместно с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, были опубликованы в журнале Science , что является значительным признанием», — сказал Мьюнг-Хван Ким, президент и главный директор по закупкам LG Energy Solution.«С последним открытием LG Energy Solution намного приблизилась к реализации технологий полностью твердотельных аккумуляторов, которые значительно разнообразят нашу линейку аккумуляторов».

«Являясь ведущим производителем аккумуляторов, LGES продолжит свои усилия по внедрению передовых технологий в ведущих исследованиях аккумуляторных элементов следующего поколения», — добавил Ким. LG Energy Solution заявила, что планирует и дальше расширять сотрудничество в области исследований твердотельных аккумуляторов с Калифорнийским университетом в Сан-Диего.

Ссылка: «Безуглеродные кремниевые аноды с высокой нагрузкой на основе сульфидных твердых электролитов» Даррена Х.С. Тан, Ю-Тин Чен, Хеди Ян, Вуригмула Бао, Бхагат Шринараянан, Жан-Мари Ду, Вейкан Ли, Бингю Лу, Со-Ён Хам, Бахарак Саяпур, Джонатан Шарф, Эрик А. Ву, Грейсон Дейшер, Хеа Ын Хан, Хо Джин Ха, Хери Чжон, Чон Бом Ли, Чжэн Чен и Ин Ширли Мэн, 24 сентября 2021 г., Science .
DOI: 10.1126/science.abg7217

Исследование проводилось при поддержке открытой инновационной программы LG Energy Solution, которая активно поддерживает исследования, связанные с батареями. LGES работает с исследователями по всему миру, чтобы развивать соответствующие методы.

Авторы: Даррен Х.С. Тан, Ю-Тинг Чен, Хеди Ян, Вуригумула Бао, Бхагат Шринараянан, Жан-Мари Ду, Вейкан Ли, Бингю Лу, Со-Ён Хам, Бахарак Саяпур, Джонатан Шарф, Эрик А. Ву, Грейсон Дейшер , Чжэн Чен и Ин Ширли Мэн из Департамента наноинженерии, Программы химического машиностроения и Центра устойчивой энергетики и энергетики (SPEC) Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего; Хеа Ын Хан, Хоэ Джин Ха, Хери Чжон, Чон Бом Ли из LG Energy Solution, Ltd.

Финансирование: это исследование было финансировано компанией LG Energy Solution в рамках программы Battery Innovation Contest (BIC). З.К. признает финансирование из фонда поддержки стартапов Инженерной школы Джейкоба Калифорнийского университета в Сан-Диего. Ю.С.М. признает финансовую поддержку от Zable Endowed Chair Fund.

Чистая энергия внутри: в новом мире долговременных аккумуляторов старая технология сохраняет свои позиции

Поставщики энергии продолжают работать над созданием долговременных систем хранения энергии, которые могут заполнить пробелы, оставленные прерывистым характером ветровой и солнечной энергии.

Некоторые компании и инвесторы делают ставку на новейшие технологии для создания такого хранилища.

Но проект, о котором было объявлено на прошлой неделе, привлек мое внимание, потому что в нем используется старая или, по крайней мере, устаревшая технология.

Группа из семи некоммерческих поставщиков электроэнергии в Калифорнии сообщила, что у них есть соглашение с разработчиком о создании системы хранения, которая будет работать до восьми часов без подзарядки с использованием литий-ионных аккумуляторов. Эта технология существует уже несколько десятилетий и доминирует на рынке электромобилей и аккумуляторов меньшей емкости, но она не часто используется для аккумуляторных систем, работающих более четырех часов.

Проект Tumbleweed будет осуществляться в округе Керн, к северу от Лос-Анджелеса, и будет иметь мощность 69 мегаватт и 552 мегаватт-часа. Разработчиком является REV Renewables, дочерняя компания LS Power of New York, которая строит и эксплуатирует электростанции.

Энергетики, подписавшие соглашение, выбрали проект из списка предложений около 50 разработчиков, представивших более десятка различных технологий.

«Когда мы приступили к этому, мы не были уверены, что увидим», — сказала Моника Падилья, директор по энергоресурсам некоммерческой организации Silicon Valley Clean Energy, которая является частью группы.«Мы слышали о новых технологиях».

Но при рассмотрении заявок группа пришла к выводу, что литий-ионные батареи, скорее всего, будут работать, как и планировалось, по разумной цене, хотя группа не раскрыла стоимость.

Итак, какие еще технологии хранения существуют на рынке? Прошлым летом Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии выпустила отчет о текущих и перспективных вариантах. Вот некоторые из них:

  • Проточные батареи, в которых используется внешний резервуар для хранения жидкости, которая проходит через элемент батареи для производства электроэнергии.Увеличивая размер внешнего резервуара, батарея может увеличить срок службы, что делает ее подходящей для длительного использования. ESS Tech Inc. работает над пилотным проектом проточной батареи для Portland General Electric в Орегоне.
  • Аккумуляторы сжатого воздуха, о которых я писал в декабре, представляют собой систему, которая нагнетает сжатый воздух в подземные полости, а затем выпускает воздух для вращения турбины и производства электроэнергии. Hydrostor работает над несколькими проектами по производству сжатого воздуха, включая два в Калифорнии.
  • Хранение водородной энергии, что обычно означает преобразование электричества в газообразный водород, его хранение и последующее преобразование обратно в электричество. Mitsubishi входит в число компаний, работающих над этим.

До объявления на прошлой неделе в Калифорнии я не знал ни о каком проекте литий-ионного хранилища, который мог бы работать в течение восьми часов.

Но когда я искал, я нашел примеры, такие как восьмичасовая батарея National Grid, которая была подключена к сети в 2019 году в Массачусетсе.

В настоящее время разрабатываются несколько других проектов, таких как проект Waiawa Phase 2 на острове Оаху на Гавайях, о котором было объявлено в 2020 году и который разрабатывается AES Distributed Energy.

Еще один проект, который LS Power планирует использовать вместе с электростанцией компании Ravenswood в Квинсе, штат Нью-Йорк. Мэтью Сад, научный сотрудник Wood Mackenzie, рассказал мне об этом.

Несмотря на то, что существует несколько проектов с длительным сроком службы, в которых используются литий-ионные батареи, важно указать, что существует несколько проектов с аккумуляторами с длительным сроком службы, и точка. Это новая часть экономики чистой энергии.

Кроме того, аналитики говорят, что литий-ионные батареи будут играть важную роль в длительном использовании, даже несмотря на то, что новые технологии привлекают все большее внимание.

«Возможно, в технологиях, которые включают проекты литий-ионных аккумуляторов, еще много возможностей для продвижения и инноваций», — сказал Марк Дайсон, старший руководитель практики безуглеродного электричества в RMI, исследовательской и правозащитной группе.

Я спросил его, чем физически отличается литий-ионный аккумулятор, работающий четыре часа, от аккумулятора, работающего восемь часов. Он использовал аналогию с двумя фонариками, которые имеют одинаковую яркость, но один работает на двух батареях D, а другой работает в два раза дольше с четырьмя батареями D.

Для аккумуляторной системы хранения, которая выглядит как ряды грузовых контейнеров, чем больше срок службы, тем больше контейнеров и более высокие первоначальные затраты.

Литий-ионные аккумуляторы

— это проверенная технология, но они также имеют подтвержденные риски и проблемы. Аккумуляторы основаны на редких материалах, таких как литий и кобальт, добыча которых наносит ущерб окружающей среде. Батареи также легко воспламеняются, в отличие от некоторых других технологий.

Поддержите экологическую журналистику в живых

ICN предоставляет отмеченные наградами материалы о климате бесплатно и с рекламой.Мы полагаемся на пожертвования таких читателей, как вы, чтобы продолжать работу.

Сделайте пожертвование сейчас

Вы будете перенаправлены к партнеру по пожертвованиям ICN.

В группу, разрабатывающую проект Tumbleweed, входят поставщики электроэнергии, которые вместе обслуживают 1,6 миллиона домов и предприятий, в основном в районе залива. Члены стремятся достичь своих целей в области чистой энергии и выполнить приказ, изданный в прошлом году Калифорнийской энергетической комиссией, который требует, чтобы поставщики электроэнергии разработали 1000 мегаватт долговременного хранения к 2026 году.Комиссия определяет «длительную продолжительность» как восемь часов и более.

Ведущие компании должны опробовать новые технологии или, в случае проекта Tumbleweed, найти новые способы использования старых технологий.

«Это что-то вроде Дикого Запада», — сказал Дайсон, говоря в целом о долговременном хранении энергии, причем не только в Калифорнии. «Существует множество различных способов, с помощью которых люди могут снизить затраты на современные технологии хранения, множество умных ученых размышляют о новых химических процессах или совершенно новых подходах к хранению энергии, и пусть победит лучший новатор.


Другие истории о переходе энергии, которые стоит принять к сведению на этой неделе:

Коммунальное предприятие Джорджии планирует поэтапный отказ от всех угольных электростанций к 2035 году : На этой неделе компания Georgia Power опубликовала план, в котором показано, что коммунальное предприятие намерено закрыть большинство своих угольных электростанций к 2028 году и все к 2035 году. одной из крупнейших и наиболее загрязняющих окружающую среду электростанций в стране, таких как Plant Bowen, которая закроется в 2035 году. Компания заявила, что компенсирует потерю угольных электростанций за счет строительства новых заводов по производству возобновляемых источников энергии, хранилищ энергии и природного газа.Как сообщает Молли Сэмюэл для WABE, план крупнейшей энергетической компании штата является важным шагом к сокращению выбросов углерода в штате, где нет требований к возобновляемым источникам энергии.

Регулирующие органы Аризоны убивают правила 100% экологически чистой энергии: На прошлой неделе Комиссия корпорации Аризоны проголосовала за отклонение предложения о переходе на 100% безуглеродное электричество, план, над которым группа работала в течение пяти лет и появилась вероятность поддержать. Голосование со счетом 3–2 было вторым случаем в истории этого предложения, когда комиссар-республиканец изменил свое мнение после первоначальной поддержки правил, как сообщает Райан Рандаццо для The Arizona Republic .«Сегодня печальный день для Аризоны, — сказала Эллен Цукерман, содиректор программы коммунальных услуг Southwest Energy Efficiency Project. «Комиссия не смогла продвинуть ключевые меры защиты прав потребителей, чтобы устранить потери энергии и сделать счета за электроэнергию для всех более доступными».

Крупнейший сетевой оператор страны ищет двухлетнюю паузу в рассмотрении новых проектов: PJM Interconnection, крупнейший сетевой оператор страны, имеет дело с многолетней задержкой заявок от новых электростанций на подключение к сети, которая в основном из-за новых солнечных разработок.Чтобы решить эту проблему, PJM работает над предложением, которое обновит процесс утверждения подключений, а также приостановит рассмотрение новых заявок на два года, как сообщает мой коллега Джеймс Брюггерс. Эта двухлетняя пауза разочаровывает некоторых разработчиков, которые видят в ней препятствие для быстрого перехода на экологически чистую энергию. Но многие другие признают, что необходимо что-то сделать, чтобы очистить систему, которая не была создана для обработки тысяч приложений, которые сейчас находятся на рассмотрении.

Промышленные гиганты представляют национальную сеть зарядки для грузовиков: BlackRock, NextEra Energy и Daimler Truck Holding совместно работают над созданием сети станций стоимостью 650 миллионов долларов, которые могут обеспечить электрическую зарядку и заправку водородом для средних и тяжелых грузовиков. грузовых автомобилей в США. Как сообщает Джош Сол для Bloomberg, компании договорились о сотрудничестве и намерены сосредоточить свои первоначальные усилия на побережье и в Техасе. Тем временем Volvo предлагает построить сеть зарядных станций стоимостью 593 миллиона долларов в Европе в партнерстве с Daimler Truck.

  Inside Clean Energy — это еженедельный бюллетень новостей и аналитических материалов ICN о переходе к энергетике. Присылайте советы и вопросы по новостям по адресу [email protected] .

Дэн Гирино

Репортер по экологически чистой энергии, Средний Запад, Национальная сеть отчетности по окружающей среде

Dan Gearino охватывает Средний Запад США и входит в Национальную сеть экологической отчетности ICN.Его освещение касается деловой стороны перехода к чистой энергии, и он пишет информационный бюллетень ICN Inside Clean Energy. Он пришел в ICN в 2018 году после девятилетнего пребывания в The Columbus Dispatch, где занимался энергетическим бизнесом. До этого он освещал политику и бизнес в Айове и Нью-Гемпшире. Он вырос в округе Уоррен, штат Айова, к югу от Де-Мойна, и живет в Колумбусе, штат Огайо.

Аккумуляторный прорыв увеличивает запас хода электромобиля в пять раз

Ученые разработали биологически вдохновленную мембрану, которая может в пять раз увеличить зарядную емкость аккумуляторов электромобилей, тем самым значительно увеличив их запас хода.

Группа ученых из Мичиганского университета использовала переработанный кевлар — тот же материал, что и пуленепробиваемые жилеты — для создания сети нановолокон, похожей на клеточную мембрану. Затем они использовали это для устранения фундаментальных проблем с типом батареи следующего поколения, известной как литий-сера.

До сих пор срок службы аккумуляторов такого типа — количество циклов зарядки и разрядки — был недостаточен для коммерческого использования в электромобилях, несмотря на их преимущество в емкости.

Литий-серные батареи способны удерживать до пяти раз больше заряда, чем стандартные литий-ионные батареи, которые используются во всем, от смартфонов и ноутбуков до кардиостимуляторов.

Однако присущая катодам литий-серных аккумуляторов нестабильность, размер которых изменяется на 78% при каждом цикле зарядки, делает их крайне непрактичными для использования в бытовой электронике.

Недостаток также заставляет их очень быстро деградировать, а это означает, что их нужно будет заменять гораздо чаще, чем их более стабильные аналоги.

Революционный потенциал литий-серных батарей означает, что исследовательские институты по всему миру спешат сделать эту технологию жизнеспособной, а предыдущие прорывы были сосредоточены на использовании гибкого катода.

«Есть ряд отчетов, заявляющих о нескольких сотнях циклов для литий-серных аккумуляторов, но это достигается за счет других параметров: емкости, скорости зарядки, отказоустойчивости и безопасности», — сказал Николай Котов, профессор химических наук и инженера в университете, который руководил последними исследованиями, опубликованными в Nature Communications .

«В настоящее время задача состоит в том, чтобы создать аккумулятор, который увеличивает частоту циклов с прежних 10 циклов до сотен циклов и удовлетворяет множеству других требований, включая стоимость».

Профессор Котов охарактеризовал новую конструкцию как «почти идеальную», позволяющую по емкости и эффективности приблизиться к теоретическим пределам литий-серных батарей.

Ожидаемый срок службы в 1000 циклов означает, что средний автомобильный аккумулятор необходимо будет заменять примерно каждые 10 лет, а используемые материалы гораздо более распространены и менее вредны для окружающей среды, чем те, которые используются в литий-ионных аккумуляторах.

«Достижение рекордных уровней по нескольким параметрам для различных свойств материалов — это то, что сейчас необходимо для автомобильных аккумуляторов», — сказал профессор. «Это немного похоже на гимнастику для Олимпийских игр — вы должны быть идеальными во всем, включая экологичность их производства».

Будущее литий-ионных и твердотельных аккумуляторов

Аккумуляторы всегда были важнейшей конструктивной особенностью всего, от ручных инструментов до компьютеров и мобильных телефонов, от источников бесперебойного питания до спутников.В течение многих лет ведутся исследования аккумуляторов, направленные на увеличение плотности энергии (количество энергии при заданном размере и весе). Потребность в большей плотности энергии возникла во время подъема портативных устройств, от промышленных измерительных инструментов до мобильных телефонов. Увеличение количества телекоммуникационных спутников означало, что вес батареи был фактором. Каждый технологический прогресс, как правило, выдвигал на передний план возможности аккумуляторов. В то время как лаборатории работали над усовершенствованием аккумуляторных технологий, электронные технологии продолжали развиваться быстрее, требуя все большего количества энергии и мощности.

Но только когда на сцену вышли электромобили (EV), производители начали серьезно задумываться о важности аккумуляторов для обеспечения большего запаса хода, большей надежности и снижения затрат. Для рынка электромобилей размер и вес так же важны, как и срок службы. Аккумуляторы, классифицируемые как первичные (одноразовые, как правило, для долгосрочных приложений с низким энергопотреблением) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, претерпевают одно нововведение за другим, поскольку они пытаются обеспечить большую плотность энергии, чем когда-либо прежде.

Текущее состояние батарей
Сегодня современная технология производства первичных аккумуляторов основана на металлическом литии, тионилхлориде (Li-SOCl2) и оксиде марганца (Li-MnO2). Они подходят для долгосрочных приложений от пяти до двадцати лет, включая учет, электронный сбор платы за проезд, отслеживание и Интернет вещей (IoT). Ведущим химическим составом для перезаряжаемых батарей, используемых в телекоммуникациях, авиации и железнодорожном транспорте, являются батареи на основе никеля (Ni-Cd, Ni-MH).Аккумуляторы на основе лития (Li-ion) доминируют на рынке бытовой электроники и расширили свое применение на электромобили (EV). Здесь важно отметить, что количество литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях, превышает объем мобильных и ИТ-приложений вместе взятых.

Литий-ионные аккумуляторы, подстегиваемые ростом рынка мобильных телефонов, планшетов и портативных компьютеров, должны достигать все более высокой плотности энергии. Плотность энергии напрямую связана с количеством часов, в течение которых батарея может работать.Специалисты по батареям в этой области постоянно корректировали технологию для увеличения плотности, в том числе меняли химический состав и модифицировали конструкции. Они даже изучили цепочку поставок сырья, посчитав, что добывать кобальт в качестве добавки к литий-ионным конструкциям дорого и сложно. Плотность энергии измеряется в ватт-часах на килограмм (Втч/кг). Литий-ионные конструкции обеспечивают самую высокую плотность до 250-270 Втч/кг для имеющихся в продаже аккумуляторов. Для сравнения, свинцово-кислотные батареи предлагают менее 100 Втч/кг, а никель-металлогидридные батареи едва превышают 100 Втч/кг.В дополнение к плотности энергии, удельная мощность также является важным фактором. Плотность мощности измеряет скорость разрядки (или зарядки) аккумулятора по сравнению с плотностью энергии, которая является мерой общего количества заряда. Например, аккумулятор большой мощности можно разрядить всего за несколько минут по сравнению с . высокоэнергетическая батарея, которая разряжается за несколько часов. Конструкция батареи по своей сути обменивает плотность энергии на плотность мощности. По словам Джуна Сан Парка, технического менеджера по твердотельным технологиям, «литий-ионные батареи могут быть чрезвычайно мощными с точки зрения плотности мощности, и Saft производит литий-ионные элементы с одной из самых высоких удельных мощностей в мире, используемые в Joint Strike Fighter и Гоночные аккумуляторы Формулы-1 мощностью до 50 кВт/кг.

Технология литий-ионных аккумуляторов значительно продвинулась за последние 30 лет, но лучшие литий-ионные аккумуляторы приближаются к пределу своих возможностей из-за ограничений материалов. У них также есть серьезные проблемы с безопасностью, такие как возгорание при перегреве, что приводит к увеличению затрат, поскольку в аккумуляторную систему должны быть встроены функции безопасности.

Рекомендуется для вас: Разработка аккумуляторов с быстрой зарядкой

 Отвечая на вопрос о материалах, альтернативных литий-ионным, Пак сказал: «Существуют альтернативные материалы и химия аккумуляторов, которые разрабатываются, чтобы выйти за рамки литий-ионных, включая литий-серу, натрий, конструкции на основе магния (Li/S, Na, Mg).Они, безусловно, имеют потенциальные преимущества перед существующими литий-ионными батареями с точки зрения плотности энергии или стоимости после коммерциализации. Тем не менее, зрелость технологии на данный момент все еще низка по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Следовательно, чтобы конкурировать с литий-ионными аккумуляторами, необходимы дальнейшие прорывы от используемых материалов к производству». В конечном счете, похоже, что Li/S аккумуляторы не готовы к коммерциализации из-за разрыва между практическим производством и академическими исследованиями в настоящее время, но серьезно исследуются.

Парк объясняет: «стремление уменьшить углеродный след также стимулирует развитие устойчивого производства энергии, такой как солнечная и ветровая, в сочетании с устройством хранения, таким как батарея». Это намекает на то, что более высокие требования приводят к инновациям в выборе материалов, дизайне и производственных процессах. Такие материалы, как твердый полимер, керамика и стеклянный электролит, позволяют создавать твердотельные батареи и новые экологически безопасные процессы, исключающие использование токсичных растворителей, которые используются в процессе производства литий-ионных батарей.

Твердотельные батареи
Хотя текущая промышленность сосредоточена на литий-ионных батареях, наблюдается переход к твердотельным батареям. По словам Дуга Кэмпбелла, генерального директора и соучредителя Solid Power Inc., «литий-ионный аккумулятор, впервые изобретенный и запущенный в коммерческую эксплуатацию в 90-х годах, в целом остался прежним. У вас практически те же комбинации электродов с небольшими изменениями. Промышленность извлекла из этой технологии максимум возможного.Solid Power экспериментировала с несколькими типами материалов, включая полимеры, оксиды и сульфиды. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Благодаря своим исследованиям они решили продолжить разработку сульфидной технологии.

Проверьте свои знания: Что вы знаете об электрификации сельской местности?

 Может показаться, что переход от батареи с жидким электролитом к твердотельной батарее выходит за рамки традиционной конструкции, но он направлен на то, чтобы превзойти нынешние возможности по плотности энергии.Металлический литий образует дендриты в системе жидких аккумуляторов, что снижает срок службы и безопасность аккумуляторов. Замена высокореакционноспособного жидкого электролита твердотельным электролитом, который по своей природе более безопасен и механически более жесток, увеличивает плотность энергии батареи без ущерба для безопасности.

Технология твердотельных аккумуляторов включает твердые металлические электроды, а также твердый электролит. Хотя химический состав в целом одинаков, твердотельные конструкции позволяют избежать утечек и коррозии на электродах, что снижает риск возгорания и снижает затраты на проектирование, поскольку устраняет необходимость в средствах безопасности.Конструкция с твердым электролитом также позволяет уменьшить форм-фактор, что означает меньший вес. Самое главное, ожидается, что твердотельные батареи преодолеют существующие в настоящее время ограничения по плотности энергии. Считается, что использование металлического лития теоретически удвоит емкость технологии литий-ионных элементов при соответствующей разработке. Металлический литий имеет в 10 раз большую емкость, чем стандартные угольные аноды, используемые в современных литий-ионных батареях.

Зачем переходить на твердотельные батареи
В настоящее время отрасль переходит на твердотельные батареи по нескольким причинам.Прежде всего, стандартные литиевые батареи с жидким электролитом натолкнулись на теоретические пределы используемых комбинаций электродов, даже при точной настройке конструкции для увеличения плотности. Тем не менее, с точки зрения рынка, поскольку электромобили набирают силу на рынке, существует значительная потребность в постоянном увеличении плотности энергии, где каждое увеличение прямо пропорционально увеличению запаса хода автомобиля и времени автономной работы в целом. Потребность в электродах с гораздо большей емкостью, таких как твердый металлический литий, означает, что вы ожидаете от 50 до 100 процентов улучшения ватт-часа на килограмм.Кроме того, некоторые дополнительные преимущества включают замену летучего и легковоспламеняющегося жидкого электролита на стабильный и твердый материал, который не будет иметь проблемы с тепловым разгоном, наблюдаемой в прошлом, например, твердый литий-ионный химизм намного безопаснее.

Тем не менее, есть еще вопросы, которые необходимо решить, например, какие материалы являются наиболее эффективными и какие методы производства обеспечивают наименьшую стоимость конечного продукта. В настоящее время твердотельные батареи, способные конкурировать на рынке, ограничены небольшими элементами.Первыми коммерчески доступными твердотельными батареями являются тонкопленочные батареи. Эти нанобатареи состоят из слоистых материалов, которые функционируют как электроды и электролиты. Тонкопленочные твердотельные батареи по структуре напоминают обычные перезаряжаемые батареи, за исключением того, что они очень тонкие и гибкие. Помимо легкого веса и небольшого размера, тонкопленочные батареи обеспечивают более высокую плотность энергии для небольших электронных устройств, таких как кардиостимуляторы, беспроводные датчики, смарт-карты и метки RFID.

Помимо решения проблем доступности и масштаба, твердотельные батареи также имеют технологические проблемы. Твердотельные батареи намного безопаснее, но все еще существует проблема дендритов, корнеобразных отложений, которые образуются на металлическом литии в анодах, образующихся при зарядке и разрядке батареи. Накопление дендритов снижает емкость твердого электролита и, следовательно, накопленный заряд.

Поиск подходящего материала сепаратора, который позволяет ионам лития проходить между электродами, а также блокирует дендриты, является самой сложной задачей для разработчиков.Согласно недавней статье Стабильность интерфейса в твердотельных батареях , исследователи использовали такие материалы, как полимер, который широко используется в батареях с жидким электролитом, или твердую керамику. Полимер не блокирует дендриты, а большая часть используемой керамики хрупка и не выдерживает многократных циклов зарядки. Ожидается, что после того, как проблема дендритов будет решена, твердотельные батареи предложат потребителям некоторые заманчивые преимущества в производительности: более быструю зарядку, более высокую плотность энергии, более длительный жизненный цикл и большую безопасность.

Еще одним разрабатываемым методом является безанодная конструкция. Когда аккумулятор разряжается во время использования, литий течет от анода к катоду. В этом случае толщина анода уменьшается. Этот процесс меняется на обратный, когда аккумулятор заряжается и ионы лития возвращаются в анод.

Вам также может понравиться: Как пищевая сеть может поддерживать подачу электричества

Другая компания, Sion Power, перешла с Li/S на Licerion Lithium-Metal Technology.Согласно их технической информации, Sion Power преодолела проблемы, которые преследовали исторические химические процессы с металлическим литием — плотность энергии (Втч / л) и срок службы — путем разработки многогранного подхода к защите металлического литиевого анода. Они включают три уровня защиты: химическая защита внутри ячейки, физическая защита внутри ячейки и физическая защита на уровне упаковки. В них используется запатентованная технология защищенного литиевого анода (PLA), при которой металлический литий-анод физически защищен тонким, химически стабильным и ионопроводящим керамическим полимерным барьером.Это позволяет добавкам электролита на уровне ячейки стабилизировать поверхность анода, что увеличивает срок службы и увеличивает энергию. Пакет включает в себя запатентованное сжатие ячеек и усовершенствованную систему управления батареями.

Будущее хранения энергии
Гонка продолжается. В условиях стремительного роста продаж электромобилей потребность в высокоплотных, долговечных и недорогих батареях означает, что конкурентная среда для твердотельных батарей становится тесной.Это отличная новость для исследований и разработок этих батарей, поскольку это необходимо для быстрого вывода твердотельных батарей на рынок. На данный момент несколько материалов и конструкций изучаются и демонстрируют значительный прогресс.

Поскольку небольшие элементы уже доказали более высокие возможности, необходимые для твердотельных батарей, это только вопрос времени, когда производственные процессы станут на свои места и для более крупных батарей. Несколько компаний предположили, что мы увидим эти батареи на рынке уже в следующем году для одних и к 2025 году для других.Как только производство наверстает упущенное, как в случае с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом, технологические инновации подтолкнут нас дальше. Это означает, что мы, вероятно, увидим изменение материалов и подходов к дизайну, которые будут расширять возможности аккумуляторов на долгие годы.

Терри Персун — писатель по технологиям из Порт-Таунсенд, штат Вашингтон,
. Зарегистрируйтесь для участия в нашей предстоящей серии вебинаров по экологически чистой энергии: «Зеленый переход»

Аккумуляторы для гибридных и сменных электромобилей

В большинстве подключаемых гибридов и полностью электрических транспортных средств используются подобные литий-ионные аккумуляторы.

Системы накопления энергии, обычно батареи, необходимы для гибридных электромобилей (HEV), подключаемых гибридных электромобилей (PHEV) и полностью электрических транспортных средств (EV).

Типы систем накопления энергии

Следующие системы накопления энергии используются в HEV, PHEV и EV.

Литий-ионные батареи

Литий-ионные аккумуляторы

в настоящее время используются в большинстве портативных устройств бытовой электроники, таких как сотовые телефоны и ноутбуки, из-за их высокой энергии на единицу массы по сравнению с другими системами хранения электроэнергии.Они также имеют высокое отношение мощности к весу, высокую энергоэффективность, хорошие характеристики при высоких температурах и низкий саморазряд. Большинство компонентов литий-ионных аккумуляторов могут быть переработаны, но стоимость восстановления материалов остается проблемой для отрасли. Министерство энергетики США также поддерживает Премию по переработке литий-ионных аккумуляторов для определения решений по сбору, сортировке, хранению и транспортировке отработанных и выброшенных литий-ионных аккумуляторов для возможной переработки и восстановления материалов.В большинстве современных PHEV и электромобилей используются литий-ионные аккумуляторы, хотя точный химический состав часто отличается от химического состава аккумуляторов бытовой электроники. Продолжаются исследования и разработки, направленные на снижение их относительно высокой стоимости, продление срока их службы и решение проблем безопасности в отношении перегрева.

Никель-металлогидридные батареи

Никель-металлогидридные батареи, обычно используемые в компьютерном и медицинском оборудовании, обладают разумной удельной энергией и удельной мощностью.Никель-металлогидридные батареи имеют гораздо более длительный жизненный цикл, чем свинцово-кислотные батареи, они безопасны и устойчивы к небрежному обращению. Эти батареи широко используются в HEV. Основными проблемами, связанными с никель-металлгидридными батареями, являются их высокая стоимость, высокий саморазряд и выделение тепла при высоких температурах, а также необходимость контроля потерь водорода.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут иметь высокую мощность, быть недорогими, безопасными и надежными. Однако низкая удельная энергия, плохие характеристики при низких температурах и короткий календарный и циклический срок службы препятствуют их использованию.Разрабатываются усовершенствованные свинцово-кислотные аккумуляторы большой мощности, но эти аккумуляторы используются только в имеющихся в продаже электромобилях для вспомогательных нагрузок.

Ультраконденсаторы

Ультраконденсаторы хранят энергию в поляризованной жидкости между электродом и электролитом. Емкость накопления энергии увеличивается по мере увеличения площади поверхности жидкости. Ультраконденсаторы могут обеспечивать транспортным средствам дополнительную мощность при ускорении и подъеме на холм, а также помогают восстанавливать энергию торможения.Они также могут быть полезны в качестве вторичных накопителей энергии в транспортных средствах с электроприводом, поскольку они помогают электрохимическим батареям выравнивать мощность нагрузки.

Переработка батарей

Транспортные средства с электроприводом появились на автомобильном рынке США относительно недавно, поэтому лишь небольшое их количество подошло к концу срока службы. В результате доступно несколько бывших в употреблении аккумуляторов от электромобилей, что ограничивает масштабы инфраструктуры по переработке аккумуляторов. Поскольку автомобили с электроприводом становятся все более распространенными, рынок переработки аккумуляторов может расшириться.

Широко распространенная переработка аккумуляторов предотвратит попадание опасных материалов в поток отходов как в конце срока службы аккумулятора, так и в процессе его производства. В настоящее время ведется работа по разработке процессов переработки аккумуляторов, которые сводят к минимуму воздействие на жизненный цикл использования литий-ионных и других типов аккумуляторов в транспортных средствах. Но не все процессы переработки одинаковы:

  • Плавка : Процессы плавки извлекают основные элементы или соли. Эти процессы сейчас работают в больших масштабах и могут работать с несколькими типами батарей, включая литий-ионные и никель-металлгидридные.Плавление происходит при высоких температурах, а органические материалы, включая электролит и угольные аноды, сжигаются в качестве топлива или восстановителя. Ценные металлы извлекаются и отправляются на аффинаж, чтобы продукт был пригоден для любого использования. Другие материалы, в том числе литий, содержатся в шлаке, который теперь используется в качестве добавки к бетону.
  • Прямое восстановление : С другой стороны, некоторые процессы переработки напрямую восстанавливают материалы, пригодные для использования в батареях. Компоненты разделяются различными физическими и химическими процессами, и все активные материалы и металлы могут быть восстановлены.Прямое восстановление представляет собой низкотемпературный процесс с минимальным потреблением энергии.
  • Промежуточные процессы : Третий тип процесса находится между двумя крайностями. В таких процессах могут использоваться несколько типов батарей, в отличие от прямого восстановления, но материалы извлекаются дальше по производственной цепочке, чем при плавке.

Разделение различных материалов для аккумуляторов часто является камнем преткновения при восстановлении ценных материалов. Таким образом, конструкция батареи, предусматривающая разборку и переработку, важна для успеха электромобилей с точки зрения устойчивости.Стандартизация батарей, материалов и конструкции элементов также упростит и удешевит переработку.

См. отчет: Техническая и экономическая целесообразность использования бывших в употреблении аккумуляторов для электромобилей в стационарных устройствах.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.